硝化抑制剤：窒素を根圏にとどめるしくみ
硝酸は土壌に保持されないため、施用した窒素の10%から50%以上が溶脱やガス排出で失われることがあります。硝化抑制剤は硝化の最初の段階を4〜10週間止め、窒素をアンモニウムとして根圏にとどめます。
要点
根本的な課題
アンモニウム系肥料や尿素が土壌に入ると、細菌が安定したアンモニウム(NH₄⁺)をすばやく硝酸(NO₃⁻)に酸化します。硝酸は負に帯電し土壌コロイドに結合できないため、窒素の10%から50%以上が、地下水への硝酸溶脱や、脱窒による亜酸化窒素(N₂O)と窒素ガス(N₂)の排出で失われることがあります。
生化学的な引き金
ニトロソモナスなどの硝化細菌は、銅依存性の酵素であるアンモニアモノオキシゲナーゼ(AMO)でNH₄⁺を亜硝酸(NO₂⁻)に酸化し、それがすぐに移動しやすいNO₃⁻に変わります。湿って暖かい土壌では、施用したアンモニウムのすべてが1〜3週間で溶脱しやすい硝酸に変わることがあります。
技術的な解決策
DMPP(3,4-ジメチルピラゾールリン酸塩)は次世代の硝化抑制剤です。AMOの活性部位にある銅(Cu²⁺)イオンをキレート化して、硝化の最初の段階を4〜10週間止め、窒素を安定した正電荷のNH₄⁺として根圏にとどめます。
農学的な成果
世界のメタ分析では、DMPPが硝酸溶脱を40%〜60%、N₂O排出を45%〜58%減らし、作物収量とNUEを5%〜12%高めることが示されています。使用量はDCDなど第一世代の抑制剤のわずか10分の1です。
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窒素が根圏から失われる理由
アンモニウムは土壌に保持されますが、硝酸は保持されません。アンモニウムが硝酸に変わる速さが、作物が利用できる窒素の量を左右します。
2段階の生物的硝化
硫安、MAP/DAP、NPK肥料に由来するアンモニウムや、尿素の加水分解後に生じるアンモニウムは、最初は土壌に安全に保持されます。その後、特殊な土壌微生物が2段階の好気反応で酸化します。
第1段階は律速段階です。アンモニア酸化細菌(AOB、主にニトロソモナス)とアーキア(AOA)が、AMOとHAOの酵素でアンモニウムをヒドロキシルアミン、さらに亜硝酸に酸化します。
第2段階:ニトロバクターやニトロスピラなどの亜硝酸酸化細菌が、亜硝酸をほぼ瞬時に硝酸に変えます。
硝化の第1段階(律速段階)。亜硝酸はその後、硝酸に酸化されます。
電荷の反転、溶脱、脱窒
アンモニウムから硝酸への変化で、窒素と土壌粒子との関わり方が変わります。
アンモニウム(NH₄⁺)は正に帯電しています。負に帯電した粘土や有機物(陽イオン交換容量、CEC)にしっかり結合し、根圏にとどまって下向きの水の動きに流されにくくなります。
硝酸(NO₃⁻)は土壌コロイドの負電荷にはじかれるため、水に溶けたまま浸透水とともに自由に動き、大雨や灌漑の後に根圏より深くへ溶脱します。
湛水した土壌や嫌気的な微小部位では、細菌が硝酸から酸素を奪い、空気中へ逃げるガスに還元します。
脱窒:硝酸がガスに還元され、大気中へ失われます。
| 窒素の形態 | イオン電荷 | 土壌CECによる保持 | 主な損失経路 | 土壌中での安定性 |
|---|---|---|---|---|
| アンモニウム(NH₄⁺) | 正(+) | 高い(粘土・有機物に吸着) | 溶脱はごくわずか、脱窒なし | 高い(根圏に固定) |
| 硝酸(NO₃⁻) | 負(–) | ごくわずか(粘土にはじかれる) | 深刻な溶脱と脱窒(N₂O、N₂) | 低い(雨や灌漑で流される) |
作用機構
硝化抑制剤は硝化の最初の段階に作用します。
阻害剤がAMO酵素の銅をキレート化する
ニトロソモナスのAMOは、触媒の中心にある銅(Cu²⁺)補因子に頼ってアンモニア酸化を始めます。DMPPは特異性の高いキレート剤で、これらのCu²⁺部位に結合して酵素を一時的に不活性にします。ニトロソモナスを殺したり有用な土壌微生物を害したりせず、AMOを止めるだけです。
最初の段階だけをふさぐ
DMPPは硝化の第1段階(NH₄⁺からNO₂⁻)だけを抑え、第2段階には干渉しないため、有毒な亜硝酸が土壌に蓄積しません。
DMPPはアンモニウムのそばにとどまる
DCD(ジシアンジアミド)は水によく溶け、NH₄⁺より先に溶脱することがよくあります。DMPPは水溶性が低く土壌コロイドに強く吸着するため、粘土や有機物に保持されたアンモニウムとともにとどまります。0.5〜1.5kg/haと、施用窒素の約0.8%〜1.0%(DCD用量の10分の1)だけで、4〜10週間の十分な抑制が得られます。
阻害剤なしとありの比較
土壌中でのアンモニウム態窒素の行方。
阻害剤なし
アンモニウムは1〜2週間で硝酸に変わり、暖かい土壌では7〜14日ほどです。その後、硝酸は溶脱または脱窒され、湛水した土壌では施用窒素の20%〜30%がN₂OやN₂として失われることがあります。
阻害剤あり
アンモニウムは温度に応じて4〜10週間安定します。硝酸溶脱は40%〜60%、N₂O排出は45%〜58%減少します。
硝化抑制剤が特に重要な場面
次のような条件では硝酸の損失リスクが高まります。
アンモニウム含量の高い肥料
全窒素の少なくとも50%がアンモニウム態窒素および/または尿素態窒素の製品。
軽い砂質土壌
砂質や礫質の土壌は水はけがよく保水量が少ないため、硝酸の下向きの移動が速まります。
大雨や頻繁な灌漑
大量の水が入ると、溶けた硝酸が作物に吸われる前に根の深さより下へ流されます。
湛水または細粒質の土壌
水はけの悪い粘質・シルト質の壌土は、降雨後すぐに酸素が不足し、施用窒素の最大20%〜30%に及ぶ脱窒損失が起こります。
温暖な土壌
細菌のAMO活性は温度(15°C〜35°C)とともに高まります。暖かい土壌では、保護されていないアンモニウムが7〜14日ですべて硝酸になることがあります。
基肥・植え付け前の施用
植え付け時に全期間分の窒素を施すと、作物の吸収ピークまで3〜6週間の空白ができ、生じた硝酸が初期の降雨にさらされます。
農学的価値と収量への効果
査読済みの総合研究が、DMPPで安定化した肥料の農学的・環境的な利点を裏づけています。
| 評価項目 | 無処理のアンモニウム肥料またはNPK | 肥料+DMPP阻害剤 | 正味の利点 |
|---|---|---|---|
| アンモニウムの安定期間 | 1〜2週間、速やかに硝酸へ変換 | 温度に応じて4〜10週間 | 窒素の供給を作物需要のピークに合わせる |
| 硝酸溶脱の損失 | 湿潤・灌漑土壌で基準の損失が大きい | 40%〜60%減少 | 根圏の窒素プールを守り、地下水汚染を防ぐ |
| 亜酸化窒素の排出 | 灌漑や降雨後に排出が急増 | 45%〜58%減少 | 農業のカーボンフットプリントを大幅に削減 |
| 作物の収量とNUE | 基準(100%) | 105.0%〜112.0% | 収量5%〜12%向上、または分施回数を15%〜20%削減 |
根圏のアンモニウムを安定させると収量が上がる理由
アンモニウム栄養が圃場で成果につながる4つの理由です。
植物体内の代謝エネルギーの節約
硝酸の吸収には多くの光合成エネルギー(ATPとNADH)がかかります。硝酸還元酵素と亜硝酸還元酵素でNH₄⁺に戻してからでないとアミノ酸ができないためです。安定したNH₄⁺を直接吸収すれば、そのエネルギーを節約でき、生育と乾物の蓄積が速まります。
根圏の酸性化と微量要素の放出
NH₄⁺を吸収する根は電気的中性を保つためプロトン(H⁺)を放出します。これで根圏が0.5〜1.5pH単位酸性化し、固定されていたリン、鉄、亜鉛、マンガンが溶け出して、中性〜アルカリ性土壌でのリンと微量要素の吸収が高まります。
NH₄⁺とNO₃⁻の併用栄養
作物は硝酸100%ではなく、アンモニウムと硝酸のバランスのよい混合で最もよく育ちます。DMPPは数週間にわたり最適なNH₄⁺/NO₃⁻比を保ち、サイトカイニンの合成、根の分岐、側根の生長を促します。
施用回数の削減
土壌中での窒素の持続期間を数日から最大2か月に延ばすことで、複数回の追肥をより少ない回数にまとめても、生育後期の窒素供給を損ないません。
硝化抑制剤が作物にもたらすもの
DMPPでアンモニウム含有肥料を安定化する主な利点。
窒素供給期間の延長
アンモニウムから硝酸への変換を遅らせ、窒素をより長く利用可能な状態に保ちます。
硝酸溶脱の低減
根圏の下へ流される硝酸が減ります。
亜酸化窒素排出の低減
亜酸化窒素の排出を45%〜58%減らします。
窒素利用効率の向上
施用した窒素のより多くを作物が吸収します。
即使用可能
肥料に添加するだけの濃縮・即使用可能な液体。
濃度の選択
25% DMPP溶液のほか、18%と13%もあります。
製品比較
2つの硝化抑制剤の主な特性。
| DeltaLent Active N | DeltaLent Active DUO | |
|---|---|---|
| 有効成分 | DMPP、25% w/w液体溶液 | DMPP 18.0% w/w＋KPA（ポリアスパラギン酸カリウム） |
| 形態 | 即使用可能な濃縮液体 | すぐに使える液体 |
| 機能 | アンモニウムから硝酸への変換を遅延 | 二重作用：硝化を遅らせ、養分を根圏にとどめる |
| 適用肥料 | 全窒素の少なくとも50%がアンモニウム態窒素および/または尿素態窒素の肥料 | 全窒素の少なくとも50%がアンモニウム態窒素および/または尿素態窒素の肥料 |
主な科学的参考文献
- Zerulla, W., Barth, T., Dressel, J., Erhardt, K., Horchler von Locquenghien, K., Pasda, G., Rädle, M., & Wissemeier, A. (2001). 3,4-Dimethylpyrazole phosphate (DMPP) – a new nitrification inhibitor for agriculture and horticulture: An introduction. Biology and Fertility of Soils, 34(2), 79–84. https://doi.org/10.1007/s003740100380
- Yang, M., Fang, Y., Sun, D., & Shi, Y. (2016). Efficiency of two nitrification inhibitors (dicyandiamide and 3,4-dimethylpyrazole phosphate) on soil nitrogen transformations and plant productivity: a meta-analysis. Scientific Reports, 6, 22075. https://doi.org/10.1038/srep22075
- Abalos, D., Jeffery, S., Sanz-Cobena, A., Guardia, G., & Vallejo, A. (2014). Meta-analysis of the effect of urease and nitrification inhibitors on crop productivity and nitrogen use efficiency. Agriculture, Ecosystems & Environment, 189, 136–144. https://doi.org/10.1016/j.agee.2014.03.036
- Qiao, C., Liu, L., Hu, S., Compton, J. E., Greaver, T. L., & Li, Q. (2015). How inhibiting nitrification affects nitrogen cycle and reduces environmental impacts of anthropogenic nitrogen input. Global Change Biology, 21(3), 1249–1257. https://doi.org/10.1111/gcb.12802
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