５０年後の生育環境でイネを栽培「高ＣＯ２ 濃度の影響評価」（長谷川利拡）

50年後の生育環境でイネを栽培

「高

CO

₂

濃度の影響評価」

大気環境研究領域 長谷川利拡

2010年11月17日 農環研 研究成果発表会2010 於 新宿明治安田生命ホール

300 400 500 600 700 800 900 1000 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100 大気 CO 2 濃度 年次 A1B A1T A1FI A2 B1 B2 IPCC の各種CO₂排出シナリオ A1「高成長社会シナリオ」 A1FI：化石エネルギー源重視 A1T： 非化石エネルギー源重視 A1B： 各エネルギー源のバランスを重視 A2「多元化社会シナリオ」 B1「持続発展型社会シナリオ」 B2「地域共存型社会シナリオ」

大気

CO

₂

濃度の変化

―実態と予測－

IPCC（2001）から

低排出シナリオ (B1)では 1.8°C (1.1°C～2.9°C), 高排出シナリオ (A1FI) では 4.0°C (2.4°C～ 6.4°C)の温度上 昇が予測されてい る。

全球気温の変化

―実態と予測－

IPCC（2007）から

日本の気温上昇は地球平均とだいたい同じくらい （今世紀半ばで約2℃という予測） 現在の年平均気温 東京 １６．２℃ 名古屋 １５．７℃ 宮崎 １７．６℃ 鹿児島 １８．４℃ 沖縄 ２３．０℃

気温上昇予測の地域間差異

大気CO₂濃度 が上がると

温暖化

気候変化と作物生産

作物暦が変わる？ 作物の呼吸消耗は増 える？ 高温障害が多くな る？ 病害虫は？ 水資源は？ 光合成はさか んになる？

将来の稲作がどうなるかの予測と実証

将来の環境を擬似する実験方法

最初の開放系大気

CO

₂

増加実験

1989年

（

Free Air CO

₂

Enrichment，FACE)

アメリカ合衆国アリゾナ州マリコパ

(ワタ、コムギ、ソルガム）

最初のイネ

FACE実験 1998~2008年

岩手県雫石町

岩手県岩手郡雫石町の 農家水田(39ﾟ38’ N, 140ﾟ 57’ E)で東北農業研究セ ンターと農業環境技術研 究所が共同で実施中の 開放系大気CO₂増加実験。 正八角形状に設置された チューブから，風向きに応 じてCO₂を放出して区内 のCO₂濃度を外気よりも 約200ppm高める装置。 外気＋200ppm 差し渡し12mの（8角形「リング」）

雫石

Rice FACE プロジェクトの流れ

第

I期FACE（1998～2000年）

CO

₂

施肥効果の圃場条件における実証的研究

第

II期FACE（2003～2004年）

CO

₂

濃度と品種との相互作用、病害発生程度の検

証、モデル化研究

第

III期FACE（2007～2008年）

CO

₂

濃度と温度（水地温）の複合的影響が水稲生

産および水田からの

CH

₄

放出に及ぼす影響の実験

的解明とモデル化

CO

₂

濃度を変化させたときの個葉の光合成速度・

気孔コンダクタンスの応答

分げつ盛期のイネの最上位展開葉・光合成有効放射は1800μmol m-2s-1、温度は25℃。 携帯型光合成・蒸散測 定装置（LI-6400）を用 いた測定例

日本と中国FACEによる乾物重の増加率の生育に伴う推移

Hasegawa et al. (2008) In P.K. Aggarwal, J.K. Ladha, R.K. Singh, C. Devakumar, B. Hardy, eds. “Science, technology and trade for peace and prosperity”pp,439-447. ISBN 007-0230-63444-3. http://www.irri.org/publications/catalog/pdfs/science_technology.pdf 高CO₂による増加率（％） 分げつ盛期 幼穂分化期 出穂期 登熟中期 成熟期 成熟期平均 岩手県雫石町 （1998-2000年） と中国江蘇省 （2001-2003年） のFACE実験結 果。

茎数の増加 茎数の増加 収量の 決定 収量の 決定 イネの収量形成過程 穂数の決定 穂数の決定 一穂籾数 の決定 一穂籾数 の決定 籾の充実 籾の充実 岩手県雫石町（1998-2000年）と中国江 蘇省（2001-2003年）のFACE実験結果。

水稲収量の収量と収量関連形質の

CO

₂

増加処理による増収率

茎数の増加 茎数の増加 収量の 決定 収量の 決定 イネの収量形成過程 穂数の決定 穂数の決定 一穂籾数 の決定 一穂籾数 の決定 籾の充実 籾の充実 岩手県雫石町（1998-2000年）と中国江 蘇省（2001-2003年）のFACE実験結果。 増収の主因は，生育の 早い段階に決定する穂 数の増加。 高CO₂による収量および収量関連形質の増加率（％） 日本 中国 平均と95％信頼区間 穂数 一穂籾数 充実した 籾の割合 一粒重 収量

Hasegawa et al (2007) Proceedings of the 2nd_{International Rice Conference}

Kimball et al. (2002), Long et al. (2004), Hasegawa et al. (2005)の総説にMorgan et al. (2005)によるダイズ，Leakey et al. (2006)のトウモロコシのデータを加えた．平均と95％信頼 区間はLong et al (2004)によるメタ解析結果． 処理はいずれも外気＋約200ppm. C₃植物平均 イネ（日本） イネ（中国） コムギ（Maricopa) ダイズ（Urbana) バレイショ(Rapolano) ワタ（Maricopa) 高CO₂による増収率(％) C4植物平均 ソルガム（Maricopa) トウモロコシ（Urbana)

FACE実験における増収率の作物種間比較

Days to heading (Ambient) 0 20 40 60 80 100 Kirara 397 Kakehashi Akitakomachi Hitomebore mean of '03 & '04 Yield_FACE/Yield_Ambient 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 2003 2004

2003、2004年に実施した品種比較実験の結果

左、移植～出穂日数 ： 右、外気CO₂区に対するFACE区の収量（比） ( ) YR ** CO2 *** CV *** CO2*CV * CO2*YR + CV*YR ** CO2*CV*YR ns Shimono et al (2009) きらら397 かけはし あきたこまち ひとめぼれ

無窒素、標準施肥条件でいずれも秋田63号の方が

多収でFACEに対する応答も大きかった（Kaneta et

al unpublished)。

中国FACEでは、インディカのハイブリッド２品種で約

30％もの増収率が報告されている（Liu et al 2009;

Yang et al 2010)。

これらの事例は、いずれも高い収量水準で得られたもので、多収量と 大きなCO₂応答を実現する形質と機構は、重要な研究課題。 これらの応答が地域・環境条件を越えて実現する形質であるかについ ても検討が必要。

第

III期雫石FACEおよび中国FACEにおける品

種間比較

食味・外観品質に及ぼす影響

• 雫石FACEでは、高CO

₂

で蛋白含有率が低下した

が、食味官 能試験では違いは検出できなかった

（

Terao et al 2005)。

• 中国FACEでは、FACE処理でAmylose は低下傾

向にあったが、白未熟粒の発生は明らかに増加し

た（

Yang et al 2007)。

品質対象形質は、食物、飼料、加工などの用途だけではなく、植物の 種子繁殖や生態系の物質循環など対象によって異なるため、多面的 な評価が必要である。

大気 CO₂の増加 温暖化 メタン放出 イネの成長 C in soil CO₂ CH₄

Free Air CO

₂

Enrichment (FACE)実験の

ターゲット

：

気候変動の影響評価と気候システムへのフィードバック

CO CH

土壌への有機物インプット

水温上昇区 無加温区

第

III期雫石FACE：水温・CO

₂

濃度の複合的影響

CO₂処理： 外気＋200ppm 水温処理： 対照区＋2℃ 3反復分割区法（主区，CO₂；副区，水温）

0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 120 m g C m -2h -1

Days after transplanting FACE-ET FACE-NT Amb.-ET Amb.-NT ** _* * * * * ** ** ** 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 120 mg C m -2 h -1

Days after transplanting FACE-ET FACE-NT Amb.-ET Amb.-NT * * * †

2007, 2008雫石FACEのメタン観測結果

2007 ₂₀₀₈ Seasonal total (g C m-2₎

Amb FACE FACE / Amb

NT 11.3 12.3 +9%

ET 15.6 18.8 +20%

ET/ NT +38% +53%

Amb FACE FACE / Amb

NT 11.3 15.3 +35%

ET 16.0 22.0 +37%

ET/ NT +42% +44%

雫石

FACEのまとめ

第I期のFACE実験（1998～2000年） – 増収効果は14％前後。 – 収量構成要素では、穂数の増加が最大の増収要因。 – 増収は主として生育前半の成長促進に依存。 – 以上から、生育ステージに伴うCO₂応答低下および稲体窒素 栄養条件が、CO₂に対する圃場レベルでの収量応答を理解す る上で重要 第II期の雫石FACE（2003、2004年） – 年次によって増収効果に有意差（冷害年であった2003年の増 収率は6％程度）。 – FACEに対する収量応答には有意な品種間差異があったもの の、品種の早晩性から増収程度の違いを説明することができな かった。 第III期の雫石FACE（2007、2008年） – CO2と水地温上昇により、水田からのメタン放出が大幅に増加

雫石からつくばみらいへ

雫石FACE998 - 2000, 2003-2004, 2007-2008 緯度/経度: 39 38‘ N, 140 57’ E CO₂: 外気t + 200ppm 処理区差し渡し 12m （面積約120m2） つくばみらい 2010 -緯度/経度: 35 58'28.57" N, 139 59'36.98" E 差し渡し 17m （面積約240m2）

つくばみらい

FACE（2010～)

気候変動に対する遺伝子～水田生態系応答の解

明のための開放系実験プラットフォーム

－ 高

CO

₂

応答遺伝子

(型）の探索

－ 将来の作物生産・水利用効率改良のための実証

的研究

ー 種々の用途に対応した品質への影響とその向上

－

CO

₂

と他の環境要因の相互作用

－ 気候変動のフィードバック

試験開始直後の様子

多肥x品種区 標肥x品種区

あきたこ まち コシヒカリ あきたこまち 蒸散測定 D85 蒸散測定 コシヒカリ 少肥区 コシヒカリ 蒸散測定 CSSL コシヒカリ 群落微気象測定 区 コシヒカリ BIL/CSSL 加温区 無加温区 日本 晴 Lemo nt 北陸 193号 タカナ リ ﾓﾐロ マン べこあ おば ホシ アオ バ IR72 密陽 23号 日本 晴 Lemo nt 北陸 193号 タカナ リ ﾓﾐロ マン べこあ おば ホシ アオ バ IR72 密陽 23号 コシSLgn8 育苗 コシSLgn1 多肥区 秋田63号 タカナリ あきだわら アキヒカリ 愛国 農林8号 約30種類の品種と異なる水温（＋２℃）、異なる施肥条件を設定 イネの生理（光合成）・生育・収量・養分吸収・メタン放出などを測定

2010年試験区配置

安定同位体比による植物ｰ土壌ミッシングリンクの解明

安定同位体比質量 分析計 C C _C C C C C C C C C 土壌炭素 イネの炭素 C C C C C C C C C C C 放出され たCH4 C C 例えば： ？割イネ、？割土壌由来 イネから土壌への炭素フローの把握など DNDC-Riceの検証・高度化 C た イネから土壌への炭素フローの把握など DNDC イネから土壌への炭素フローの把握など C

つくばみらい

FACEの概要１

• CO₂増加による平均的な作物応答については、一定の見 解。今後、気候変動に対する適応・緩和技術の開発に向け た国際・学際的な研究に発展させることが重要。 • つくばみらいFACEは、そのための実験プラットフォーム。多 くの品種を取り扱ったり、温度、窒素などの複合的な処理を 行うためにリングサイズを拡大（雫石の2倍）。 • つくばみらいFACEは、世界で3ヶ所目のイネFACE実験施 設で、雫石、中国江蘇省との中間に位置することから、ピ ボットとしての役割。

つくばみらい

FACEの概要２

• 高CO₂環境下の温度ストレスの影響、適応のための品種特 性の解明を継続するとともに、遺伝解析材料などを用いた比 較試験や遺伝子レベルの環境応答の解明も研究の対象。 • メタンのCO₂・温度応答のメカニズムを解明するために、植 物が固定した炭素の動態把握を行う。⇒ 長期的な緩和策 のための研究。炭素動態に大きく影響する窒素との相互作 用もつくばみらいFACEのターゲット。 • これらの研究を効率的に実施するために、つくばみらい FACEを大気化学、土壌化学に加えて微生物も含めた環境 応答の研究フィールドとして機能させたい。

2010年現在、稼働中の世界のFACEサイト（リング直径が8m以上のもの。赤が作 物を対象としたFACE）。FACE研究の国際的な連携により、将来環境に適した特 性を調べる。 GiFACE AGFACE China FACE FAL FACE SoyFACE _TsukubaFACE BioCON NZ FACE OzFACE ASPEN FACE Bangor FACE Duke FACE ORNL FACE

世界の作物

FACEサイト との連携

（リングの差し渡し長が8m以上で反復のあるもの )

共同研究者（のほんの一部）