Effect of chemical nitrogen fertilizer and manure application on the greenhouse gases emissions from a managed grassland insouthern Hokkaido, Japan

博 士 （ 農 学 ） 金

学 位 論 文 題 名

Effect of chemical nitrogen fertilizer and manure application on the greenhouse gases emissions from a

managed grassland insouthern Hokkaido, Japan

涛

（北海道南部の採草地における温室効果ガス放出に対する窒素化学肥料と堆肥施与の影響）

学位論 文内容の要旨

        Agricultural lands (lands used for agricultural production, consisting of cropland, managed grassland and permanent crops including agro forest and bio‑energy crops) occupy about 40 ‑ 50 % of the Earth's land surface (IPCC, 2007b). In addition, the managed grasslands cover 3 billion hectares (about 20%) of 14.9  billion of the World's land surface and are a major system of livestock (i.e. sheep, beef and dairy cattle, and deer) production in many countries (Surinder and Saggar, 2007). The agricultural sector plays a significant role in the gjobal mitigation potential for three major greenhouse gases (GHGs); carbon dioxide (C02), methane (CH4) and nitrous oxide (N20). However, as mitigation practices can impact n:tore than one GHG positively and negatively,, it is important to consider the impact of mitigation options on all GHGs.

 Chemical nitrogen (N) fertilizer and manure application may increase plant growth and in tum mitigate COz  emission, but it can increase N20 emission, and reduce CH4 uptake. Therefore, the objectives of this study were: to verify the effects of chemical N fertilizer and manure application on the GHGs emissions from a managed grassland in southem Hokkaido, which include all three major geenhouse gases C02, CH4 and N20; and to make proper options for rmtigation GHGs emissions from managed grassland.

         Three experimental plots were set up during November 2004 to October 2009 0n a managed grassland of the Shizunai Experimental Livestock Farm, Field Science Center for Northem Biosphere of Hokkaido University, one for treatment with chemical N fertilizer (F plot), another with either both beef caffle manure and chemical N fertilizer or only beef caffle manure (M plot) and the other one with no chemical N fertilizer and no manure (C plot).In M plot, a supplement of chemical N fertik:er was added in 2005, 2006 and 2007, but only manure was applied in 2008 and 2009 (the M plot in 2007 corresponded lracUcally to manure application only. because chemical N fertilization application rate was only 21 kg N ha‑l yr‑' and contributed only 3.2 % of total soil gross mineral N, which composed of applied chemical N fertilizer and mineral N released from soil organic matter (SOM) and manure decomposition). Seasonal C02, N20 and CH4 fluxes were measured by closed‑chamber method in each treatment plot at 4 0r 6 replications. In order to estimate the mineralization rate of SOM, a bare plot (B plot) was established from November 2004 to October 2009.

That B plot received neither chemical N fertilizer nor manure, and the COz fluxes were measured  Soil carbon (C) sequestration is expressed as net biome production (NBP), which dependent on the balance between C input by net plant production (NPP) and manure application and C loss by barvest and COz emissions tlwugh organic matter decomposiUon. Soil denitrifying enzyme activity (DEA) in the root‑mat layer (O ‑ 2.5 cm) and in the mineral soillayer (2.5 ‑ 5 cm) of each treatment plot was measured'using an acetylene inhibition method after treatment with N03: N addition only, glucose addition only, both N03 ‑N and glucose addition or neither N03:N nor glucose addition The global worming potential (GWP) was calculated as sum of N20 and CH4 emissions and negative soil C sequestration by converting the each gas unit to C02 equivalent by using the factors of GWP at the 100‑year time horizon recommended by IPCC 2007a (C02:CH4:NZO = 1:25:298).

        The annual C02 emissions from the F, M, C, and B plots were 9.1 ‑ 10.9, 10.9 ‑ 15.2, 8.8 ‑ 12.5 and 4.0 ‑ 4.9 Mg C02‑C ha‑' yf', respectively. There were significant differences among years and treatment plots. There were significant differences across different years and treatment plots. Significant interaction between the year and treatment plot was also observed. The annual C02 emission ffom the B plot was always significantly lower than other plots. The annual C02 emission from the M plot was significantly bigher than tbat from the F plot in 2007 and significantl,y higher than that from both the F and C plots in 2008 and 2009. C02 emissions did not significantly differ between the F and C plots.

         The range of annual NBP in the C plot was ‑4.6 to ‑3.9 Mg C ha‑l yf ' during 2005 t0 2009, which indicated a net C loss from this plot  The NBP in the F plot was slightly higher than that in the C ploS which ranged from ‑4.5 to ‑3.7 Mg C ha‑l yr". The NBP in the M plot ranged from ‑1.4 t0 1.2 Mg C haJ yr‑', which

―

307

−

was quite larger than that in other plots. Compare with no chemical N fertilizer or manure application, chemical N fertilizer application increased O ‑ 0.4 Mg C ha‑l yf' of soil C sequestration and manure application increased 3.8 ‑ 6.0 Mg C ha‑l yf ' of soil C sequestration

         Annual CH4 emissions ranged from ‑O.l t0 4.0, ‑0.2 t0 1.4 and ‑O.l t0 5.4 kg CH4‑C ha‑l yf ' in F, M and C plots, respectively. There was no significant difference in annual CH4 emission among the treatment plots. Soil temperature and precipitation were important factors for controlling the CH4 fluxes.

      The ranges of annual N20 emissions from the F, M and C plots were l.2 ‑ 2.9, 0.9 ‑ 4.9, and 0.4 ‑ 0.7   g N20‑N ha‑l yr", respectively. Different linear regression models for the annual N20 emission and the chemical N application rate were observedin the plots treated with manure (y ‑. 0.0226x + 1.296, Rz = 0.88) compared to the plots treated with chemical N fert:ilizer only (y = 0.0127x + 0.6088, R2  0.92). And the linear regression model with a higher slope value was found in the plots treated with manure. Across all treatment plots, the annual N20 enussions were significantly correlated with the total soil gross mineral N (y

= 0.0107x ‑ 3.6999, R2 = 0.62). When the data were segregated as the N20 emission from manure application only (including the M plot in 2007) and as the N20 emission from chemical N fertilizer application, two different regression models between the annual N20 emissions and the total soil gross mineral N surplus were observed and the regression model with a higher slope value was observed in the plots treated with chemical N fertilizer.

        The GWP ranged from 14.6 t0 18.0,  3.9 t0 6.0 and 14.6 t0 17.3 Mg C02 equivalents ha‑l yf ' in the F, M and C plot, respectively. This indicated chemical N fertilizer application did not decrease the GWP but manure application could decrease the GWP. And in this study, the maximum of CH4 emission in C02 equivalents was only 0.2 Mg COz equivalents ha‑' yf '. which contributed l.2% of GWP from the managed grassland.

        The results obtainedin this study summarized as follows: 1) The contribution of CH4 emission to GHGs emissions for managed grassland can be negligible; 2) To increase the soil C sequestration, manure application is recommend; 3) Chemical N fertilizer application could increase the N20 emission, especially when apply the chemical N fertilizer with manure together could result in higher N20 emission compare with chemical N fertilizer only, owing to higher soil DEA with higher soil pH under manure application than under chemical N fertilizer application only; 4) When the total soil gross mineral N surplus increase, chemical N fertilizer application could lead more high N20 emission than only manure application; and 5) Therefore, application of only manure is highly recommended to mitigate the GWP from managed grasslands.

―

308 ‑

学位論文審査の要旨 主査   教授    波多野隆介 副 査    教 授    平 野高 司 副 査    教 授    橋 床泰 之

学 位 論 文 題 名

    Effect of chemical nitrogen fertilizer and manure   application on the greenhouse gases emlSSionSfroma     managedgraSSlandinSOuthernHOkkaidO

，

Japan

（北海道南部の採草地における温室効果ガス放出に対する窒素化学肥料と堆肥施与の影響）

  

本 論 文 は 英 文

124

頁 ， 図

20

， 表

21

，

9

章 か ら な り ， 参 考 論 文

4

編 が付 さ れ て い る．

  

管 理 草 地 は30億

ha

と ， 世 界 の 陸 地

149

億

ha

の 約

20

％ を 占 め ，多 く の 国 で 家畜 （ 例 えぱ羊 ，肉牛 ，乳 牛およ び鹿） 生産の 場とな って いる。 農業部 門は， 温室効果ガスである 二 酸 化 炭 素(C02)， メタ ン

(CH4)

， 亜 酸 化窒 素(N20)の 削 減 に おい て ， 重 要 な役 割 を 担 う。 し かし， ある削 減策 が1種 のガ スに効 果があ っても ，他 のガス の放出 を促進 する可 能 性もあ るため ，削 減策を 提案す るとき には， すべ てのガ スへの 影響を 考慮することが重要 であ る 。 窒 素 化 学肥 料 や 堆 肥 の施 与 は 作 物 生産 を 促進 し，C02を削 減する と考 えられ る が，N20放 出を 促 進 し ，CH4吸 収 を 抑制 す る 可 能 性が あ る 。 そ のた め ， 本研 究の目 的は 窒 素 化 学 肥 料 と 堆 肥 の 施 与 が 北 海 道 南 部の 採 草 地 に お ける 温 室 効 果 ガス 収 支(C02，

CH4

お よ び

N20)

に 与え る 影 響 を 明ら か に し ， 採草 地 に お け る適 切 な 温 室 効 果ガ ス 削 減 策を提 案する こと とした 。

  

北 海 道 大 学 北 方 生 物 圏 フ イ ー ル ド 科学 セ ン タ ー 静内 研 究 牧 場 の採 草 地 に お い て，

2004

年

11

月 か ら2009年

10

月 ま で ， 三 っ の 処 理 区 を 設 け た 。 一 つ 目 が 窒 素 化 学 肥 料 区（F区） ，二っ 目が肉 牛堆肥 ・窒 素化学 肥料併 用もし くは 肉牛堆 肥区(M区 ）， 三っ日 が 窒素 化 学 肥 料 お よび 堆 肥 無 施 与区 （C区 ） であ る 。堆 肥区 では，2005，2006，

2007

年に は窒 素 化 学 肥 料 を併 用 し たが ，2008，

2009

年は 堆肥の みを 施与し た。た だし，

2007

年の 堆肥 区 は ， 窒 素 化学 肥 料 が

21 kgNha‑l yr‑l

で ，土 壌 へ 施 与 され る 無 機 態窒素 の3.2％ であ っ たため ，実際 には 堆肥の みの施 与に相 当し た。C02，N20，CH4フラ ックス は， クロ ーズ ド チ ャ ン バ ー法 で 測 定し た。 土壌有 機炭素 の無機 化量 は，裸 地区（ 窒素化 学肥料 お よ び 堆 肥 を 施 与無 し ） の

C02

フ ラ ッ ク スか ら 得 た 。 土壌 炭 素 蓄 積 量は ， 純 生 物 相 生産

(NBP)

とし て 表 さ れ ， 純一 次 生産(NPP)と堆 肥投 入量に よる炭 素イン プット と， 収穫と 有 機物 分 解 に よ る 炭素 ア ウ ト プ ット の 差 と し て見 積 もら れた。 地球温 暖化指 数(GWP)は，

C02

，

CH4

，

Nz0

の 放 射 強 制 力 係 数 を そ れ ぞ れ

1

，

25

，

298

と して ，

N20

．

CH4

放 出量 と

NBP(

負値 ）の合 計とし て求め た。

  

年 間C02放出 量は

F

，M，C，B区そ れぞれ9.1‑ 10.9，10.9〜

  15.2

，8.8〜 12.5，

4.0

〜

4.9 Mg C02

―Cha‑lyr‑1で あり， 年次間 および 処理区 間に 有意差 が認め られた 。M区では 常 に 最 も 大 き い 年 間

C02

放 出 量 が 観 測 さ れ ，

F

区 と

C

区 で 有 意 な 差 は 無 か っ た 。

―

309

―

  

年 間

NBP

は ，

C

区 では―

4.6

〜 −3.9 MgCha・1 yr‑lであり ，正 味の炭 素損失 を示し た。

F

区 でC区 よ り わ ずか に 大 き く ，ー

4.5

〜 ―3.7 MgCha‑l yr‑1であ った。M区 のNBPは，‑1.4

〜

1.2 MgCha

・

l yr=1

に あ っ た 。 窒素 化 学 肥 料 の 施与 は 無 施 肥に 比べ土 壌有機 炭素 の蓄 積 を

0

〜

0.4 MgCha‑l yr‑l

促 進 し ， 堆 肥の 施 与 は3.8〜

6.0 MgCha

―

1 yr=1

促 進 した 。

  

年 間

CH4

放 出 量 は ，

F

，

M

，C区 で そ れ ぞれ ―0.1〜4.0， ー0.2〜

1.4

， ―

0.l

〜

5.4 kg CH4

―

Cha‑l yr‑l

で あった 。年 間CH4放出量 は，処 理区間 に有 意な差 は認め られな かった。

地 温 と 降 水 量 は ，

CH4

フ ラ ッ ク ス を 制 御 す る 重 要 な 要 因 で あ っ た 。

  

年 間

N20

放 出 量 は ，

F

，

M

，

C

区 でそ れ ぞ れ1.2〜

2.9

，

0.9

〜4.9，

0.4

〜

0.7 kg N20

−N

ha

―

l yr‑l

で あ った 。年間

NzO

放 出量と 窒素 化学肥 料施与 量の直 線回 帰モデ ルは， 堆肥を 施 与し た 区 （

y  0.0226x

十

1.296

，

R2

：

 0.88)

と 窒素 化 学 肥 料の みを施 与した 区（y

0.0127x

十0.6088，

R2

＝ 0.92)で異な り，傾 きは堆 肥を 施与し た区で 大きか った 。年間N20 放 出量 は ， 土 壌 の総 無 機 態 窒 素 供給 量 （ 窒 素 化学 肥 料 お よ ぴ土 壌 有 機 炭 素・ 堆 肥 由 来 の 無機 態 窒 素 供 給量 の和） と有意 な相関 を示 した（

y  0.0107x

―3.6999，R2：

 0.62)

。

N20

放 出 量 を ， 堆 肥 の み を 施 与 し た区(2007年 の

M

区 を含 む ） と 窒 素 化学 肥 料 を 施 与し た 区 に 分 類 す る と ，

N20

放 出 量 と 土壌 の 総 無 機 態 窒素 余 剰 量 の 直線 回 帰 モ デ ルは 異 な り ， 堆 肥 施 与 区 で 傾 き は 小 さ く ， 堆 肥 施 与 の

N20

放 出 抑 制 効 果 が 認 め ら れ た 。

  GWP

は，F，M，C区それ ぞれ14.6〜  18.0，―3.9〜6．0，14.6〜17.3 Mg C02 equivalents

ha‑l yr‑1

で あ った 。 こ れ は ， 窒素 化 学 肥料の 施与は

GWP

を 低下 させな かった が，堆 肥の 施与は

GWP

を低下 させた ことを 示す。

  

本 研 究 で 得 られ た結 果は次 の通 りであ る。1）土 壌有機 炭素の 蓄積を 促進 させる には，

堆 肥施 与 が 勧 め られ る 。

2

） 窒素 化 学 肥 料 の 施与 も 堆 肥 の 施与 も ，CH4放 出 に 影 響 を与 え ない 。

3

） 窒 素化 学 肥 料 の 施与 は

N20

放出 を 促 進 さ せ， 特 に 堆 肥 と一 緒 に 窒 素 化 学肥 料 が施 与 さ れ た 場合 ， 化 学 肥 料 のみ の 施 与 よ りN20放 出が 大 き い 。4） 土 壌 の 総 無 機態 窒 素 余 剰 量 が 増 大 す る と ，堆 肥 の み の 施与 よ り 窒 素 化学 肥 料 の 施 与 の方 が

NzO

放 出 を 促進す る。

5

）以 上の ことか ら，堆 肥のみ を施 与する ことが ，採草 地のGWPを 削減策 として 最も推 奨さ れる。

  

以 上 の よ う に ， 本 研 究 は 農 業 分 野 の 温 暖 化 抑 制技 術 と し て 堆肥 施 与 が 効 果的 で あ る こと を 示 し た もの で ， 学 会 か らも 高 く 評 価 され て い る 。 よっ て審 査員一 同は，

1

、

ao Jm

が 博 士 （ 農 学 ） の 学 位 を 受 け る の に 十 分 な 資 格 を 有 す る も の と 認 め た ．

‑ 310 ‑