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利用者:加藤勝憲/カバー作物

A cover crop of tillage radish in early November
農業
概要
歴史
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バイオテクノロジー
畜産

土壌の多量栄養素と微量栄養素を管理するために使用される。窒素は作物生産において最も制限的な養分であることが多いためである。

農業におけるカバー作物とは、収穫を目的とするのではなく、土壌を覆うために植えられる植物のことである。カバー作物は、土壌浸食、土壌肥沃度、土壌の質、水、雑草、害虫、病気、生物多様性、そして農業生態系（人間によって管理され形成された生態系）における野生生物を管理する。カバー作物は土壌の微生物活動を活発にし、窒素の利用可能性や対象作物への窒素の取り込み、作物の収量に好影響を与える。カバー作物は、水質汚染のリスクを軽減し、大気中のCO2を除去する[1]。カバー作物は、換金作物を収穫した後に植えられるオフシーズン作物である場合もある。カバー作物は、収穫される主要作物の生存率を高めるという点で看護作物であり、多くの場合、冬を越して栽培される[2][3]。米国では、カバー作物の栽培には、1エーカー当たり35ドルものコストがかかる場合がある[4]。

In agriculture, cover crops are plants that are planted to cover the soil rather than for the purpose of being harvested. Cover crops manage soil erosion, soil fertility, soil quality, water, weeds, pests, diseases, biodiversity and wildlife in an agroecosystem — an ecological system managed and shaped by humans. Cover crops can increase microbial activity in the soil, which has a positive effect on nitrogen availability, nitrogen uptake in target crops, and crop yields. Cover crops reduce water pollution risks and remove CO2 from the atmosphere.[1] Cover crops may be an off-season crop planted after harvesting the cash crop. Cover crops are nurse crops in that they increase the survival of the main crop being harvested, and are often grown over the winter.[2][3] In the United States, cover cropping may cost as much as $35 per acre.[4]

土壌浸食

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カバー作物は、農業生態系において複数の機能を同時に果たすことができるが、土壌侵食を防ぐという唯一の目的で栽培されることが多い。土壌侵食は、農業生態系の生産力を回復不能なほど低下させるプロセスである。カバー作物は、土壌構造を改善し、浸透を促進し、土壌表面を保護し、雨滴のエネルギーを散乱させ、土壌表面上の水の移動速度を低下させることで、土壌の損失を減らす[5]。密植されたカバー作物は、降雨が土壌表面に接触する前に物理的に流速を減速させ、土壌の飛散や浸食性の表土流出を防ぐ[6]。さらに、広大なカバー作物の根のネットワークは、土壌を固定し、土壌の空隙率を高め、土壌大動物相に適した生息網を作り出す[7]。その結果、土壌の肥沃化が数年間保たれる。

土壌肥沃度管理

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カバー作物の主な用途のひとつは、土壌の肥沃度を高めることである。この種のカバー作物は「緑肥」と呼ばれる。土壌の栄養素と微量栄養素を管理するために使用される。様々な養分の中でも、窒素管理に対するカバー作物の影響は、研究者や農家から最も注目されている。なぜなら、窒素は作物生産において最も制限的な養分であることが多いからである。

多くの場合、緑肥作物は一定期間栽培され、土壌の肥沃度と品質を向上させるために、完熟する前に鋤き込まれる。残された茎は、土壌が浸食されるのを防ぐ。

緑肥作物は一般的にマメ科、つまりマメ科に属する。このマメ科は、マメ、レンズマメ、ルパン、アルファルファなど、すべての種がさやをつけるという点でユニークである。マメ科のカバー作物は一般的に窒素が多く、作物生産に必要な量の窒素を供給できることが多い。慣行農法では、この窒素は通常、化学肥料の形で施用される。有機農業では、窒素の投入は、有機肥料、堆肥、カバー作物の種子、マメ科カバー作物による固定という形で行われる[8]。このようなカバー作物の品質は、肥料代替価値と呼ばれる[9]。

Another quality unique to leguminous cover crops is that they form symbiotic relationships with the rhizobial bacteria that reside in legume root nodules. Lupins is nodulated by the soil microorganism Bradyrhizobium sp. (Lupinus). Bradyrhizobia are encountered as microsymbionts in other leguminous crops (Argyrolobium, Lotus, Ornithopus, Acacia, Lupinus) of Mediterranean origin. マメ科カバー作物に特有のもうひとつの性質は、マメ科植物の根粒に存在する根圏細菌と共生関係を結ぶことである。ルピナスは、土壌微生物ブラディリゾビウム属（Bradyrhizobium sp. Bradyrhizobia）は、地中海沿岸原産の他のマメ科作物（Argyrolobium、Lotus、Ornithopus、Acacia、Lupinus）でも微生物共生体として見られる[8]。

These bacteria convert biologically unavailable atmospheric nitrogen gas (N2) to biologically available ammonium (NH+
4) through the process of biological nitrogen fixation. In general, cover crops increase soil microbial activity, which has a positive effect on nitrogen availability in the soil, nitrogen uptake in target crops, and crop yields.

これらのバクテリアは、生物学的に利用不可能な大気中の窒素ガス（N2）を、生物学的に利用可能なアンモニウム（NH+4）に変換する。

4）に変換する。一般に、カバー作物は土壌微生物の活性を高め、土壌中の窒素利用可能量、対象作物の窒素吸収量、作物収量に好影響を与える。

工業的窒素固定を実施し、化学窒素肥料を製造するために開発されたエネルギー集約的な方法であるハーバー・ボッシュ法が登場する以前は、生態系に導入される窒素のほとんどは生物学的窒素固定によって生じていた[10]。科学者の中には、主にカバー作物の使用によって達成される広範な生物学的窒素固定が、将来の食糧生産レベルを維持または増加させるための努力において、工業的窒素固定に代わる唯一の方法であると考えている者もいる[11][12] 。工業的窒素固定は、化石燃料エネルギーへの依存と、農業における化学窒素肥料使用に伴う環境への影響から、食糧生産のための持続不可能な窒素源として批判されてきた[13]。このような広範な環境影響には、水路への窒素肥料の流出が含まれ、富栄養化（栄養負荷）とそれに伴う大規模な水域の低酸素化（酸素欠乏）を引き起こす可能性がある。

その一例がミシシッピ・バレー流域である。長年にわたる農業生産による流域への肥料の窒素負荷により、メキシコ湾沖では毎年夏に低酸素の「デッドゾーン」が発生し、2017年にはその面積が22,000平方キロメートルを超えた[14][15] 。その結果、この海域の海洋生物の生態学的な多様性は失われつつある[16]。

生物学的窒素固定によって農業生態系に窒素をもたらすだけでなく、「キャッチクロップ」と呼ばれる種類のカバー作物は、すでに存在する土壌窒素を保持し、再利用するために使用される。キャッチクロップは、前作の施肥で残った余剰窒素を取り込み、窒素が溶脱によって失われるのを防ぐか、 またはガス状の脱窒または揮発する[17]。

キャッチクロップは通常、土壌から利用可能な窒素を効率的に回収するよう適応した、成長の早い一年生穀物種である[18]。捕獲作物のバイオマスに固定された窒素は、換金作物が緑肥として取り入れられるか、分解が始まると土壌に戻される。

カバー作物であるハッショウマメ（ビロードマメ）が、農家がリン酸塩を施用した後に土壌中のリンの利用可能量を増加させることが判明している[19]。

土壌の品質管理

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また、カバー作物は、長期間にわたってカバー作物のバイオマスを投入することで、土壌の有機物レベルを高め、土壌の質を改善することができる。土壌有機物が増加すると、土壌構造が強化されるだけでなく、土壌の保水能力や養分保持能力、緩衝能力も向上する[20]。また、土壌の炭素貯留量の増加にもつながり、これは大気中の二酸化炭素濃度の上昇を相殺するための戦略として推進されている[21][22][23]。

土壌の質は、作物の生育に最適な条件を作り出すために管理される。土壌の質に影響を与える主な要因は、土壌の塩分、pH、微生物のバランス、土壌汚染の防止である。土壌の品質が適切に管理・維持されれば、健全で生産的な環境の基盤が形成されると指摘されている。健全な環境を作り出す作物を、かなり長い期間にわたって設計し、管理することができる[24]。

水管理

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土壌浸食を減らすことで、カバー作物はしばしば、通常なら下流の水路や生態系に環境リスクをもたらす、畑から排水される水の速度と量の両方を減らす[25]。カバー作物のバイオマスは、降雨と土壌表面の間の物理的な障壁として機能し、雨滴が土壌プロフィールを着実に伝うことを可能にする。また、前述したように、カバー作物の根が伸長すると土壌孔が形成され、土壌マクロファウナの生息域が広がるだけでなく、水が表面流として圃場から流出するのではなく、土壌層内をろ過する経路となる。水の浸透が促進されれば、土壌の貯水量と帯水層の涵養量が向上する可能性がある[26]。

カバー作物が枯れる直前（草刈り、耕起、ディスク、ローリング、除草剤散布など）は、大量の水分を含んでいる。カバー作物が土壌に組み込まれるか、土壌表面に残されると、土壌水分が増加することが多い。作物生産に必要な水が不足している農業生態系では、カバー作物をマルチとして使用し、土壌表面を遮光・冷却することで水を節約することができる。これにより、土壌水分の蒸発が抑えられ、土壌養分の保全に役立つ[27]。

雑草管理

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サウスダコタのカバー作物。

厚いカバー作物の株は、カバー作物の生育期間中、雑草とよく競合し、発芽した雑草種子のほとんどがライフサイクルを終えて繁殖するのを防ぐことができる。カバー作物の生育が終了した後、緑肥として土壌に組み込むのではなく、土壌表面に平らに敷き詰めると、ほとんど侵入できないマットを形成することができる。これにより、雑草の種子への光の透過率が大幅に低下し、多くの場合、雑草の種子の発芽率が低下する[28]。さらに、雑草の種子が発芽しても、カバー作物のマルチ層を突き破るのに必要な構造的能力を構築する前に、成長に必要な貯蔵エネルギーを使い果たしてしまうことが多い。これはしばしば、カバー作物の窒息効果と呼ばれる[29]。

カバー作物の中には、生育中と枯死後の両方で雑草を抑制するものがある[30]。カバー作物は生育中、利用可能な場所、光、栄養分をめぐって雑草と激しく競争し、枯れた後は土壌表面にマルチ層を形成して次の雑草の芽を摘み取る[31]。例えば、メリロトゥス・オフィシナリス（イエロー・スイートクローバー）を改良休耕システム（休耕期間を、カバー作物の植え付けを含む様々な管理方法によって意図的に改善する）のカバー作物として使用した場合、雑草バイオマスは、カバー作物の生育シーズン終了時に、総常在バイオマスの1～12％を占めるに過ぎないことがわかった[30]。さらに、カバー作物終了後、イエロースイートクローバーの残渣は、休耕（イエロースイートクローバーなし）システムよりも75～97％低いレベルまで雑草を抑制した。

カバー作物のナヨクサフジ。

競合に基づく雑草抑制や物理的な雑草抑制に加えて、ある種のカバー作物はアレロパシーによって雑草を抑制することが知られている[32][33] 。これは、ある種の生化学的なカバー作物化合物が分解され、他の植物種に対して有毒であったり、他の植物種の種子の発芽を阻害したりする場合に起こる。アレロパシーを持つカバー作物の例としては、ライ麦、ナヨクサフジ、ムラサキツメクサ、モロコシ、アブラナ科の種、特にマスタードなどがよく知られている[34]。ある研究では、ライ麦のカバー作物残渣をダイズ、タバコ、トウモロコシ、ヒマワリなどさまざまな換金作物の生産時にマルチとして使用した場合、早期の広葉雑草を80％～95％防除できたことが判明している[35]。一般的に、カバー作物は、他の作物が定着する前のシーズンの早い時期に栽培および終了できるため、換金作物と競合しない[31]。

農業研究局（ARS）が2010年に発表した研究[36]では、科学者たちがライ麦の播種率と植え付けパターンがカバー作物の生産にどのような影響を及ぼすかを調査した。その結果、ライ麦の1エーカー当たりの播種量を増やすと、カバー作物の生産量が増加し、雑草の量も減少した。マメ科植物とオート麦の播種率をテストした場合も同様で、1エーカー当たりの播種密度が高いほど雑草の量が減り、マメ科植物とオート麦の収量が増加した。植え付けパターンは、伝統的な畝か格子状のパターンであったが、いずれのカバー作物においても、カバー作物の生産量や雑草の発生量に大きな影響はないようであった。ARSの科学者たちは、播種率の増加は雑草防除の効果的な方法であると結論づけた[37]。

コーネル大学の持続可能な作物栽培システム研究所（Sustainable Cropping Systems Lab）は2023年5月、カバー作物の変種と系統的に類似した換金作物を時間差で植え付け、戦略的に組み合わせることの有効性を調査する研究を発表した。主要研究者であるウリエル・メナレド氏は、研究結果に従ってカバー作物と換金作物を植えれば、農家は雑草の生育を最大99％減少させることができることを発見した。この研究は、農家が既存の輪作に最も適したカバー作物を特定するための包括的な枠組みを提供するものである。まとめると、この研究結果は、系統的近縁性を利用することで雑草の繁殖を大幅に抑制できるという理解を裏付けるものである[38]。

疾病管理

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カバー作物のアレロパシー特性が雑草を抑制するのと同じように、カバー作物は病気のサイクルを断ち切り、細菌や真菌の病気[39]や寄生線虫の個体数を減らすこともできる[40][41]。マスタードなどのアブラナ科の植物は、植物細胞組織内のグルコシノレート化合物の分解中に天然に存在する毒性化学物質を放出することによって、真菌の病気の個体数を抑制することが広く示されている[42]。

有害生物管理

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いくつかのカバー作物は、いわゆる「トラップ作物」として使用され、害虫を価値のある作物から引き離し、害虫がより好ましい生息地とみなす方へ誘引する[43]。トラップ作物区域は、作物内、農場内、または景観内に設けることができる。多くの場合、トラップ作物は生産される食用作物と同じ季節に栽培される。害虫の個体数を減らすのに十分な数の害虫がトラップに引き寄せられると、こうしたトラップ作物が占める限られた面積を農薬で処理することができる。有機農法システムの中には、農家がトラップ作物の上を大きなバキューム式の器具で走り、害虫を植物から物理的に引き離して畑の外に出すものもある。このシステムは、有機イチゴ生産におけるlygus bugsの防除に役立つと推奨されている[44]。トラップ作物のもうひとつの例は、線虫抵抗性のシロカラシ（Sinapis alba）とダイコン（Raphanus sativus）である。これらは主作物（穀物）の後に栽培することができ、線虫を捕捉する[45][46]。成長すると線虫は孵化し、根に集まる[47]。根に侵入した線虫は、植物の過敏な抵抗反応により、根の中では繁殖できない。そのため、線虫の個体数は大幅に減少し、種類や栽培期間にもよるが、70～99％減少する。

その他のカバー作物は、害虫の生息地の要素を模倣することで、害虫の天敵を誘引するために用いられる。これは、生息域の拡大として知られる生物的防除の一形態だが、カバー作物を使用することで実現する[48]。カバー作物の存在と捕食害虫の個体群動態との関係に関する知見はまちまちであり、特定の総合的害虫管理戦略を最適に補完するためには、特定のカバー作物の種類や管理方法に関する詳細な情報が必要であることを示唆している。例えば、捕食者であるダニEuseius tularensis（Congdon）は、中央カリフォルニアの柑橘果樹園において害虫であるシトラススリップスの防除に役立つことが知られている。研究者らは、数種類のマメ科のカバー作物（ベルビーン、ウーリーポッドベッチ、ニュージーランドシロクローバー、オーストリアウインターエンドウなど）を植えることで、季節的にE. tularensisの個体数を増加させるのに十分な餌源となる花粉が供給され、これがうまくいけばシトラススリップスの害虫個体数を減少させるのに十分な捕食圧をもたらす可能性があることを発見した[49]。

生物多様性と野生生物

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通常、カバー作物は上記のいずれかの目的で使用されるが、野生動物の生息地として機能することも多い。カバー作物を使用することで、換金作物のローテーションに、少なくとももう一面、植物の多様性が加わる。通常、カバー作物は価値のある作物ではないため、その管理はそれほど集中的ではなく、農場に「ソフトな」人的影響の窓を提供する。このような比較的 "手をかけない "管理は、カバー作物の定着によって生じる農場内の不均質性の増大と相まって、より複雑な栄養構造を形成し、より高いレベルの野生生物の多様性を支える可能性を高める[50]。

ある研究において、研究者らは、アメリカ南部で慣行栽培された綿花畑とカバー作物栽培された綿花畑の節足動物および鳴禽類の種構成と畑の利用状況を比較した。カバー作物栽培の綿花畑にはクローバーが植えられ、綿花の生育期初期にはクローバーが綿花の畝間に生育するようにされた（ストリップカバー作物）。渡りの季節と繁殖の季節に、クローバーによるカバー作物を組み込んだ綿花畑では、従来の綿花畑に比べ、ソングバードの密度が7～20倍高いことがわかった。節足動物の存在量とバイオマス量も、クローバーによる花蜜の供給が増加したためと考えられる。クローバーのカバー作物は、覆土場所を提供し、節足動物の個体数の増加による餌源の増加によって、ソングバードの生息環境を向上させた[51]。

関連項目

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ポータル Agriculture
ポータル Agriculture

脚注・参考文献

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関連文献

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外部リンク

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  • "Cover Crops", Cyclopedia of American Agriculture, vol. 2, ed. by L. H. Bailey (1911). A short encyclopedia article, early primary source on varieties and uses of cover crops.

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