輪作

ヴロツワフ環境生命科学大学スヴォイェツ実験農場における輪作と単一栽培の効果。手前の圃場では「ノーフォーク」輪作体系（ジャガイモ、オート麦、エンドウ豆、ライ麦）が実施されており、奥の圃場では58年連続でライ麦が栽培されている。

輪作とは、同じ地域で複数の生育期にわたって、複数の種類の作物を栽培する農法です。この農法は、作物が特定の栄養素や害虫・雑草への依存を軽減し、耐性害虫や雑草の発生リスクを低減します。

同じ場所で何年も続けて同じ作物を栽培する、いわゆる単作栽培は、土壌から特定の栄養素を徐々に枯渇させ、その栽培体系に適応した特殊な害虫や雑草の増殖を促進します。栄養素の利用バランスと害虫・雑草群集の多様化がなければ、単作栽培の生産性は、土壌の肥沃度に悪影響を与える可能性のある外部からの投入に大きく依存することになります。逆に、適切に設計された輪作は、多様な作物がもたらす生態系サービスをより有効に活用することで、合成肥料や除草剤の必要性を減らすことができます。さらに、輪作は土壌構造と有機物を改善し、浸食を軽減し、農業システムの回復力を高めます。

歴史

アルファルファ、インゲン豆、クローバーなどのマメ科植物は、古くから輪作に利用されてきました。根粒には細菌が生息し、空気中の窒素を吸収して土壌中に硝酸塩として固定し、作物が利用できるようにしています。

農民は古くから、人間の食用穀物の代わりに家畜用の春作物を植えるなど、適切な輪作によって生産性の高い土壌を回復・維持できることを認識してきました。古代近東の農民は紀元前6000年から輪作を実践し、マメ科植物と穀物を交互に植えていました。[ 1 ] [ 2 ]

2フィールドシステム

二圃輪作では、ある年、土地の半分を耕作し、残りの半分を休耕する。そして翌年、二圃の耕作地を逆に耕す。中国では、二圃輪作と三圃輪作の両方が東周時代から行われていた。[ 3 ]

3フィールドシステム

9世紀から11世紀にかけて、ヨーロッパの農民は二圃制から三圃制へと移行した。この制度は20世紀まで続いた。利用可能な土地は3つのセクションに分割された。第1セクションではライ麦や小麦などの秋植え作物が栽培された。第2セクションではオート麦、大麦、エンドウ豆、レンズ豆、インゲン豆などのマメ科植物が春植え作物として栽培された。第3セクションは休耕地とされた。3つの畑はこのようにローテーションされ、3年ごとに1つの畑が休耕地となった。二圃制では、どの年も土地の半分しか耕作されなかった。新しい三圃制では、土地の3分の2が耕作され、より多くの収穫が得られる可能性があった。しかし、追加された作物は単なる量的生産性の向上以上の重要な効果をもたらした。春の作物は主にマメ科植物であり、植物がタンパク質を作るために必要な窒素を固定するため、ヨーロッパの人々の栄養状態は全体的に向上した。[ 4 ]

4フィールドローテーション

イギリスの農学者チャールズ・タウンゼント（1674–1738）は、18世紀にこのシステムを普及させました。小麦、カブ、大麦、クローバーの4つの作物を連続して栽培するこのシステムには、飼料作物と放牧作物が含まれており、家畜を一年中飼育することが可能でした。この四圃輪作は、イギリス農業革命における重要な発展となりました。[ 5 ]

現代の発展

20世紀半ばの緑の革命において、先進国では輪作農業は、肥料の追肥、例えば硝酸アンモニウムや尿素の施用、石灰による土壌pHの回復などを通じて土壌への化学肥料の投入を補う慣行に取って代わられました。こうした慣行は、収量の増加、特殊な作物に適した土壌の整備、そして植え付け、収穫、灌漑の簡素化による無駄と非効率の削減を目的としていました。

作物の選択

作物の相互関係の予備的な評価は、各作物がどのようになっているかによってわかる。[ 6 ]

  1. 土壌有機物（SOM）含有量に貢献します。
  2. 害虫管理を提供します。
  3. 栄養素の不足や過剰を管理します。
  4. 土壌浸食に寄与したり、土壌浸食を抑制したりします。
  5. 他の作物と交配して雑種子孫を生み出します。
  6. 食物網と野外生態系を取り巻く影響。

作物の選択は、農家が輪作で達成しようとしている目標に関係することが多く、その目標には雑草管理、土壌中の利用可能な窒素の増加、浸食の抑制、土壌構造とバイオマスの増加などが挙げられます。 [ 7 ]輪作について議論する場合、作物は、評価される品質に応じて、科、栄養ニーズ/利点、および/または収益性（換金作物対被覆作物）など、さまざまな方法で分類されます。 [ 8 ]たとえば、植物の科に十分な注意を払うことは、害虫や病原体を軽減するために不可欠です。ただし、多くの農家は、望ましい換金作物の周りに順序付けと被覆作物を計画することで、輪作の管理に成功しています。[ 9 ]以下は、作物の品質と目的に基づいた簡略化された分類です。

列作物

野菜など、市場にとって重要な作物の多くは条植え（つまり、密集した畝で栽培）です。[ 8 ]これらの作物は農家にとって最も収益性が高いことが多いですが、土壌への負担も大きくなります。[ 8 ]条植えの作物は一般的にバイオマスが低く根が浅いため、周囲の土壌への残留物が少なく、土壌構造への影響も限定的です。[ 10 ]植物の周囲の土壌の多くは降雨や交通による撹乱にさらされるため、条植えの畑では微生物による有機物の分解が速く、将来の植物に与えられる栄養素が少なくなります。[ 10 ]

つまり、これらの作物は農場にとって収益性が高いかもしれませんが、栄養分を枯渇させます。輪作は、短期的な収益性と長期的な生産性のバランスをとるために存在します。[ 9 ]

マメ科植物

輪作の大きな利点は、窒素固定作物と窒素要求性作物の相互関係にあります。アルファルファやクローバーなどのマメ科植物は、大気中の利用可能な窒素を吸収し、根粒に貯蔵します。[ 11 ]植物が収穫されると、吸収されなかった根粒のバイオマスが分解され、貯蔵された窒素が将来の作物に利用できるようになります。[ 12 ]

草と穀物

穀類やイネ科植物は土壌の質と構造に多くの利点をもたらすため、被覆作物としてよく利用されます。 [ 13 ]密集して広範囲に広がる根系は周囲の土壌に十分な構造を与え、土壌有機物に重要なバイオマスを提供します。

イネ科植物や穀類は、土壌のスペースや栄養素をめぐって不要な植物と競合するため、雑草管理において重要な役割を果たします。[ 14 ]

緑肥

緑肥は土壌に混ぜて使用される作物です。窒素固定性のマメ科植物と、イネ科植物のような養分捕捉性植物はどちらも緑肥として利用できます。[ 11 ]マメ科植物の緑肥は、特に有機栽培において優れた窒素源となりますが、マメ科植物のバイオマスはイネ科植物のように土壌有機物の永続的な蓄積には寄与しません。[ 11 ]

ローテーションの計画

輪作を計画する際には、考慮すべき要素が数多くあります。効果的な輪作を計画するには、市場、農場の規模、労働力、気候、土壌の種類、栽培方法など、固定的および変動的な生産環境を比較検討する必要があります。[ 15 ]さらに、輪作では、ある作物がどのような状態で土壌から出て次の作物に供されるか、またある作物に別の作物をどのように播種できるかも考慮する必要があります。[ 15 ]例えば、マメ科植物のような窒素固定作物は、常に窒素枯渇作物の前に植えるべきです。同様に、低残渣作物（つまりバイオマスの低い作物）は、イネ科植物とマメ科植物の混合作物のような高バイオマス被覆作物で補うべきです。[ 6 ]

輪作に使用できる作物の数や、輪作を完了するのにかかる時間に制限はありません。[ 10 ]輪作に関する決定は、数年前、数シーズン前、あるいは収益や土壌の質を向上させる機会が現れた最後の瞬間に行われます。[ 9 ]

実装

他のシステムとの関係

輪作システムは、家畜や堆肥の投入などの他の方法や、畑で同時に複数の作物を栽培することで、より豊かになる場合があります。単一栽培とは、畑で1つの作物だけを栽培することです。複合栽培とは、同じ場所で2種類以上の作物を同時に栽培することです。輪作は単一栽培と複合栽培の両方に適用でき、農業生物多様性を高める複数の方法をもたらします（表）。[ 17 ]

空間的および時間的作物の多様性；単一栽培、複合栽培、輪作[ 17 ]
時間の多様性
低い より高い
周期的 動的
宇宙の 多様性低い 単一栽培、畑に1つの種 継続的な単一栽培、単一作物栽培 単一栽培 の輪作単一栽培 の連続
より高い 多品種栽培、畑に 2つ以上の種が混在する連続多栽培多品種栽培 の輪作多種多様な栽培 の連続

家畜の導入

家畜を導入することで、重要な芝生や被覆作物を最も効率的に利用することができます。家畜は（肥料を通して）干し草の販売を通じて農場から栄養素を取り除くのではなく、これらの作物の栄養素を土壌全体に分配することができます。[ 10 ]

混合農業、つまり家畜を組み込んだ作物栽培は、作物の輪作管理と栄養循環を促進するのに役立ちます。作物残渣は家畜の飼料となり、家畜は堆肥として作物の栄養分と牽引力を補給します。これらのプロセスは、内部栄養循環を促進し、合成肥料や大型機械の必要性を最小限に抑えます。さらに、牛、羊、山羊は乳を産出するため、経済的に困難な時期には換金作物として利用することができます。[ 18 ]

多種多様な栽培

混作やコンパニオンプランティングといった複合栽培システムは、同じ季節や輪作において、より多様性と複雑性をもたらします。一例として、トウモロコシとインゲンマメ、そしてツル性カボチャやカボチャを混植する「スリーシスターズ」が挙げられます。このシステムでは、インゲンマメが窒素を供給し、トウモロコシがインゲンマメの支えとなり、カボチャのツルボアに対する「スクリーン」となり、ツル性カボチャが雑草抑制効果とトウモロコシを欲しがるアライグマの侵入を阻む役割を果たします。[ 7 ]

二毛作とは、通常は異なる種類の2種類の作物を同じ生育期に連続して栽培する場合、または1種類の作物（例：野菜）を被覆作物（例：小麦）と連続して栽培する場合によく用いられます。[ 6 ]これは、大規模農場のように長期間にわたって被覆作物を土壌に植えて土壌を補充する余裕がない小規模農場にとって有利です。小規模農場で多毛作を実施することで、利用可能な土地資源における輪作のメリットを最大限に引き出すことができます。[ 9 ]

有機農業

輪作は、アメリカ合衆国では有機認証を取得しようとする農場にとって必須の慣行である。[ 19 ]米国連邦規則集第205.205条 に基づく国家有機プログラムの「輪作慣行基準」では、

農家は、土壌有機物を維持または増強し、害虫を防除し、栄養分を管理・保全し、土壌浸食を防ぐ輪作を実施することが義務付けられています。輪作を行わない多年生作物の生産者は、土壌の健全性を維持するために、被覆作物などの他の方法を活用することができます。[ 10 ]

輪作は、害虫や雑草を防除し、利用可能な栄養素を増やすことで投入量の必要性を減らすだけでなく、有機栽培農家が農場の生物多様性を高めることにも役立ちます。[ 10 ]生物多様性は有機認証の要件でもありますが、この基準を規制または強化する規則はありません。[ 10 ]作物の生物多様性を高めることは、周囲の生態系に有益な効果をもたらし、動物、昆虫、 [ 10 ]、土壌中の有益な微生物の多様性を高めることができます。[ 10 ] McDaniel et al 2014 および Lori et al 2017 によって判明しました。[ 20 ]いくつかの研究では、有機栽培では土壌有機物中の有益な微生物を阻害する可能性が低いため、従来の方法と比較して有機システムでの輪作による栄養素の利用可能性が高くなることを指摘しています。[ 21 ]

多毛作や混作は輪作と同じ原則の多くから恩恵を受けますが、 NOPの要件を満たしていません。[ 10 ]

利点

農学者は、輪作作物の収量増加の利点を「輪作効果」と呼んでいます。[ 22 ]収量増加に関連する要因は、主に単一栽培システムのマイナス要因の緩和によるものです。具体的には、栄養状態の改善、害虫、病原体、雑草によるストレスの軽減、土壌構造の改善が、有益な輪作効果と相関していることがいくつかのケースで明らかになっています。

その他の利点としては、生産コストの削減が挙げられます。作物や家畜の生産形態が多様化することで、全体的な財務リスクがより広範囲に分散されます。購入資材への依存度が下がり、長期的にはより少ない資材で生産目標を維持できるようになります。これは、短期および長期の収量増加と相まって、輪作を農業システムの改善における強力な手段としています。

土壌有機物

異なる作物種を輪作することで、土壌有機物（SOM）の増加、土壌構造の強化、そして作物にとっての化学的・生物学的土壌環境の改善が期待できます。SOMの増加により、水の浸透と保持が改善され、干ばつ耐性が向上し、浸食が減少します。

土壌有機物は、バイオマス由来の分解物質と活性微生物の混合物です。輪作は、その性質上、芝、緑肥、その他様々な植物残渣由来のバイオマスへの曝露を増加させます。輪作では、集約的な耕起の必要性が減少するため、バイオマスの凝集が促進され、栄養素の保持と利用が向上し、追加の栄養素の必要性が減少します。 [ 8 ]耕起によって土壌が破壊され、酸化されると、土壌中の微生物の多様性と増殖に不利な環境が作り出されます。これらの微生物は、植物が利用できる栄養素を提供します。したがって、「活性」な土壌有機物は生産性の高い土壌の鍵となりますが、微生物の活性が低い土壌は、土壌に残っているバイオマスの量が同じであっても、植物に提供する栄養素が大幅に少なくなります。

土壌微生物は、競争を通じて病原菌や​​害虫の活動を低下させます。さらに、植物は根から分泌物やその他の化学物質を産生し、土壌環境だけでなく雑草の環境も調整します。したがって、輪作は栄養塩の利用可能性による収量増加だけでなく、アレロパシーや競合的な雑草環境の緩和にもつながります。[ 23 ]

炭素隔離

輪作は、土壌有機物の主成分である土壌有機炭素（SOC）含有量を大幅に増加させます。[ 24 ]炭素は、水素や酸素とともに、植物にとって重要な栄養素です。長期間にわたる多様な輪作は、SOCの増加にさらに効果的であることが示されていますが、土壌撹乱（例えば耕起によるもの）はSOCレベルの急激な低下を引き起こします。[ 24 ]ブラジルでは、不耕起農法への転換と集約的な輪作を組み合わせることで、年間1ヘクタールあたり0.41トンのSOC固定率が得られることが示されています。[ 25 ]

大気中の炭素の隔離は、作物の生産性を高めるだけでなく、空気から二酸化炭素を除去することで 気候変動の速度を低下させることにも大きな影響を与えます。

窒素固定

輪作は土壌に栄養分を補給します。マメ科の植物であるマメ科植物の根には根粒があり、根粒には窒素固定細菌である根粒菌が含まれています。根粒菌は根粒形成と呼ばれるプロセスで、植物から供給される栄養分と水を使って大気中の窒素をアンモニアに変換します。アンモニアはさらに、植物が窒素源として利用できる有機化合物に変換されます。[ 26 ]そのため、農業上、イネ科植物や硝酸塩を必要とする他の植物と交互に栽培することは理にかなっています。植物が利用できる窒素の量は、マメ科植物の種類、根粒菌の有効性、土壌条件、植物の栄養に必要な元素の利用可能性などの要因によって異なります。[ 27 ]

病原体および害虫駆除

輪作は、時間の経過とともに土壌に定着する可能性のある害虫や病気の防除に役立ちます。作物を順番に切り替えることで、(1)害虫のライフサイクルを中断し、(2)害虫の生息地を中断することで、害虫の個体数を減少させます。[ 9 ]同じ分類学上の科に属する植物は、類似した害虫や病原体を持つ傾向があります。定期的に作物を切り替え、土壌を休耕地ではなく被覆作物で覆うことで、害虫のサイクル、特に残渣で越冬することで利益を得るサイクルを断ち切ったり制限したりすることができます。[ 28 ]この原則は、合成農薬を使用せずに害虫を防除する必要がある有機農業で使用されています。[ 16 ]

雑草管理

特定の作物、特に被覆作物を輪作に組み込むことは、雑草管理において特に価値がある。これらの作物は競争によって雑草を駆逐する。さらに、被覆作物や緑肥から得られる芝や堆肥は、土壌を生き延びた雑草の成長を遅らせ、作物にさらなる競争上の優位性を与える。被覆作物を栽培しながら雑草の成長と増殖を遅らせることで、農家は将来の作物（雑草に対する耐性が低い浅根性作物や条播き作物など）における雑草の存在を大幅に減らすことができる。被覆作物は、休耕地を雑草の蔓延から守るため、保全作物と考えられている。[ 28 ]

このシステムは、耕起などの他の一般的な雑草管理方法に比べて利点があります。耕起は土壌を掘り返すことで雑草の成長を抑制することを目的としていますが、その一方で、埋もれていた雑草の種子を露出させ、貴重な作物の種子を埋めてしまうという逆効果があります。輪作では、雑草の個体数を減らすことで、土壌中の生存可能な種子の数も減少します。

雑草は作物の品質と収量に悪影響を及ぼすだけでなく、収穫プロセスを遅らせることもあります。ヒルガオやイヌタデなどの雑草は機械に絡みつき、作業の中断や再開を繰り返すことになるため、農家の収穫効率を低下させます。[ 29 ]

土壌浸食の軽減

輪作は、水による浸食によって失われる土壌の量を大幅に減らすことができます。浸食の影響が非常に大きい地域では、ゼロ耕起や減耕起などの農業管理手法に加えて、特定の輪作手法を組み合わせることで、雨滴の影響、堆積物の剥離、堆積物の輸送、表面流出、土壌流出を軽減することができます。[ 30 ]

土壌流出に対する保護は、作物の残渣（収穫後に残る植物残渣）を土壌表面に最大限に残す輪作方式によって最大限に高められます。残渣が土壌に接することで、地表流の速度と水流の力を低下させ、水が堆積物を剥離・運搬する能力を低下させ、水による浸食を最小限に抑えます。[ 31 ]土壌浸食と土壌封鎖は、土壌団粒の破壊と剥離を防ぎ、マクロポアの閉塞、浸透の低下、流出の増加を引き起こします。[ 32 ]これにより、浸食やストレスにさらされた土壌の回復力が大幅に向上します。

飼料作物が分解すると、土壌上で接着剤のように作用する結合物質が生成され、粒子同士がくっついて団粒を形成します。[ 33 ]土壌団粒の形成は、雨滴の衝撃や水による浸食に対する耐性が高まるため、侵食防止に重要です。また、土壌団粒は粒子が大きく、耕作による摩耗にも強いため、風食も軽減します。[ 34 ]

輪作による土壌侵食抑制効果は気候によって異なります。年間降雨量と気温が一定と想定される、比較的安定した気候条件の地域では、厳格な輪作によって十分な植物生育と土壌被覆率が得られます。一方、気候条件が予測しにくく、予期せぬ降雨や干ばつが発生する可能性のある地域では、より柔軟なアプローチで輪作による土壌被覆を行う必要があります。機会耕作システムは、このような不安定な気候条件下でも十分な土壌被覆率を促進します。[ 35 ]機会耕作システムでは、土壌水分が十分で、信頼できる播種時期があるときに作物が栽培されます。この形態の輪作システムは、厳格な輪作システムよりも優れた土壌被覆率が得られる可能性が高いです。これは、作物が最適な条件下でのみ播種されるのに対し、厳格なシステムでは必ずしも利用可能な最良の条件で播種されるとは限らないためです。[ 36 ]

輪作は、畑が休耕される時期と期間にも影響を与える。[ 37 ]これは非常に重要である。なぜなら、特定の地域の気候によっては、休耕中の畑が最も侵食を受けやすい場合があるからである。効率的な休耕管理は、輪作システムにおける侵食を減らす上で不可欠な要素である。ゼロ耕起は、作物を植えることができない、計画外の長い休耕期間において作物の切り株を保持することを促進する基本的な管理方法である。[ 35 ]休耕地で適切な土壌被覆を維持することに成功したこのような管理方法は、最終的に土壌流出を減らすことになる。10年続いた最近の研究では、ジャガイモの収穫後に一般的に冬季に行われる被覆作物、例えば秋ライ麦は、土壌流出を最大43%削減できることが判明しており、これは通常、最も栄養価の高い土壌である。[ 38 ]

生物多様性

作物の生物多様性を高めることは、周囲の生態系に有益な効果をもたらし、動物、昆虫、 [ 10 ]および土壌中の有益な微生物[ 10 ]の多様性を高めることができることが、McDaniel et al 2014 および Lori et al 2017 によって明らかにされています。[ 20 ]一部の研究では、有機栽培では、植物の栄養素の吸収を高めるアーバスキュラー菌根などの土壌有機物中の有益な微生物を阻害する可能性が低いため、従来の方法と比較して、有機システムによる輪作から栄養素の利用可能性が増加することを指摘しています。[ 21 ]生物多様性の増加は、農業生態系の回復力も高めます。[ 8 ]

農業生産性

輪作は土壌の栄養状態を改善し、収穫量の増加に貢献します。異なる作物を異なる時期に植え付け、収穫することで、同じ量の機械と労働力でより多くの土地を耕作できるようになります。

リスク管理

異なる作物を輪作することで、個々の農家にとっての悪天候のリスクを軽減することができます。[ 39 ] [ 40 ]

課題

輪作には綿密な計画が必要ですが、作物の選択は、土壌の種類、地形、気候、灌漑といった固定された条件に加え、年ごとに劇的に変化する可能性のある条件（天候、市場、労働力）にも対応する必要があります。[ 9 ]このように、何年も先を見据えて作物を計画するのは賢明ではありません。輪作計画の不適切な実施は、土壌の栄養組成の不均衡や、重要な作物に影響を与える病原体の蓄積につながる可能性があります。[ 9 ]輪作の不備による影響は、経験豊富な土壌科学者でさえも明らかになるまで何年もかかる場合があり、修正にも同様の時間がかかることがあります。[ 9 ]

輪作には多くの課題が伴います。例えば、マメ科植物の緑肥はカタツムリやナメクジの侵入を引き起こす可能性があり、緑肥の腐敗によって他の作物の生育が抑制されることもあります。[ 12 ]

参照

参考文献

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