被覆作物

農業において、被覆作物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です。被覆作物は、人間が管理し形成する生態系である農業生態系において、土壌侵食、土壌肥沃度、土壌品質、水、雑草、害虫、病気、生物多様性、野生生物を管理します。被覆作物は土壌中の微生物活動を増加させることができ、これは窒素の利用可能性、対象作物の窒素吸収、作物収量にプラスの効果をもたらします。被覆作物は水質汚染のリスクを軽減し、大気からCO2を除去します。_[ ^{1 ]被覆}作物は、換金作物の収穫後に植えられるオフシーズン作物である場合があります。被覆作物は、収穫される主作物の生存率を高めるという意味で、保護作物であり、冬の間によく栽培されます。^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

被覆作物は農業生態系で同時に複数の機能を果たすことができますが、多くの場合、土壌侵食を防ぐという唯一の目的で栽培されます。土壌侵食は、農業生態系の生産能力を回復不能なほど低下させるプロセスです。被覆作物は、土壌構造を改善し浸透性を高め、土壌表面を保護し、雨滴のエネルギーを分散させ、土壌表面上の水の移動速度を低下させることで、土壌の損失を減らします。^{[ 5 ]}密生した被覆作物群落は、降雨が土壌表面に接触する前に物理的に降雨速度を遅くし、土壌の飛散や侵食性の表面流出を防ぎます。^{[ 6 ]}さらに、広大な被覆作物の根のネットワークは、土壌を所定の位置に固定し、土壌の多孔性を高め、土壌大型動物に適した生息地ネットワークを作り出します。^{[ 7 ]}これにより、今後数年間、土壌の肥沃度が良好に保たれます。

被覆作物の主な用途の一つは、土壌の肥沃度を高めることです。これらの被覆作物は「緑肥」と呼ばれ、土壌中の様々な主要栄養素と微量栄養素を管理するために利用されます。様々な栄養素の中でも、被覆作物が窒素管理に及ぼす影響は、研究者や農家から最も注目を集めています。なぜなら、窒素は作物生産において最も不足しやすい栄養素であることが多いからです。

緑肥作物は、土壌の肥沃度と質を向上させるため、一定期間栽培した後、完全に成熟する前に耕し込むことが多い。残った茎は土壌の浸食を防ぐ役割を果たす。

緑肥作物は一般的にマメ科植物、つまりマメ科（Fabaceae）に属する植物です。この科は、豆、レンズ豆、ルピナス、アルファルファなど、そのすべての種が莢をつけるという点で独特です。マメ科の被覆作物は一般的に窒素含有量が高く、作物の生産に必要な量の窒素を供給できることがよくあります。慣行農業では、この窒素は通常、化学肥料の形で施用されます。有機農業では、窒素の投入は、有機肥料、堆肥、被覆作物の種子、マメ科被覆作物による窒素固定の形で行われることがあります。^{[ 8 ]}この被覆作物の特性は、肥料代替価値と呼ばれます。^{[ 9 ]}

マメ科被覆作物のもう一つの特徴は、マメ科植物の根粒に生息する根粒菌と共生関係を形成することです。ルピナスは、土壌微生物であるBradyrhizobium sp. (Lupinus) によって根粒を形成します。Bradyrhizobiumは、地中海原産の他のマメ科作物（ Argyrolobium、Lotus、Ornithopus、Acacia、Lupinus ）にも共生微生物として見られます。これらの細菌は、生物学的に利用できない大気中の窒素ガス（ N₂ ）を変換します。₂ ) 生物学的窒素固定の過程を経て、生物学的に利用可能なアンモニウム (NH ⁺ ₄ ) に変換される。一般的に、被覆作物は土壌微生物の活動を増加させ、土壌中の窒素の利用可能性、対象作物の窒素吸収、作物の収量にプラスの効果をもたらす。 ^{[ 8 ]}

工業的な窒素固定を行い、化学窒素肥料を作るために開発されたエネルギー集約型の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た。 ^{[ 10 ]}一部の科学者は、主に被覆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、将来の食料生産レベルを維持または増加させるための取り組みにおいて、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。^{[ 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の使用に伴う環境への影響のため、食料生産のための持続不可能な窒素源として批判されている。^{[ 13 ]}このような広範な環境への影響には、水路への窒素肥料の流出が含まれ、これは大規模な水域の富栄養化（栄養負荷）とそれに続く低酸素症（酸素欠乏）につながる可能性がある。

その一例として、ミシシッピ川流域では、長年にわたる農業生産による肥料窒素の流域への流入により、メキシコ湾沖合に毎年夏季に低酸素状態の「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（8,500平方マイル）を超えました。^{[ 14 ] [ 15 ]}その結果、この海域の海洋生物の生態学的複雑性は低下しています。^{[ 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」と呼ばれる被覆作物は、土壌に既に存在する窒素を保持し、再利用するためにも利用されます。キャッチクロップは、前作の施肥によって残った余剰窒素を吸収し、浸出[ ^{17 ]や}気体脱窒、揮発^{[ 18 ]}による損失を防ぎます。

被覆作物は一般的に、土壌から利用可能な窒素を効率的に吸収するように適応した、成長の速い一年生穀物種です。^{[ 19 ]}被覆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土壌に混入されるか、または分解が始まると、土壌に放出されます。

緑肥の使用例としてはナイジェリアが挙げられ、被覆作物であるムクナ・プルリエンス（ベルベットビーン）は、農家がリン鉱石を施用した後に土壌中のリンの利用可能性を高めることが分かっている。^{[ 20 ]}

被覆作物は、被覆作物のバイオマスを時間とともに投入することで土壌有機物レベルを増加させ、土壌の質を改善することもできます。土壌有機物の増加は、土壌構造だけでなく、土壌の水分および栄養素の保持能力と緩衝能力も向上させます。 ^{[ 21 ]}また、土壌炭素隔離の増加にもつながり、これは大気中の二酸化炭素レベルの上昇を相殺するのに役立つ戦略として推進されています。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

土壌の質は、作物が繁栄するための最適な条件を作り出すように管理されます。土壌の質に影響を与える主な要因は、土壌の塩分濃度、pH、微生物のバランス、および土壌汚染の防止です。土壌の質が適切に管理および維持されれば、健康的で生産的な環境の基盤が形成されることが指摘されています。かなり長い間、健康な環境を作り出す作物を設計および管理することができます。^{[ 25 ]}

被覆作物は土壌侵食を軽減することで、通常であれば下流の水路や生態系に環境リスクをもたらす、畑から流れ出る水の速度と量の両方を減らすことが多い。^{[ 34 ]}被覆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、雨滴が土壌断面をゆっくりと浸透することを可能にする。また、前述のように、被覆作物の根の成長は土壌孔の形成をもたらし、土壌大型動物の生息地を向上させることに加えて、水が表面流として畑から流れ出るのではなく、土壌断面を濾過する経路を提供する。水の浸透が増加することで、土壌水分の貯留と帯水層の涵養の可能性が向上する。^{[ 35 ]}

被覆作物は、刈り取り、耕起、ディスク耕、ローラー掛け、除草剤散布などの方法で枯死する直前には、大量の水分を含んでいます。被覆作物を土壌に混ぜ込んだり、土壌表面に残したりすると、土壌水分が増加することがよくあります。作物生産のための水が不足している農業生態系では、被覆作物をマルチとして使用することで、土壌表面を遮光して冷却し、水を節約することができます。これにより、土壌水分の蒸発が減り、土壌栄養素の保持に役立ちます。^{[ 36 ]}

被覆作物が密生すると、被覆作物の生育期間中に雑草とよく競合し、発芽した雑草の種子のほとんどがライフサイクルを完了して繁殖するのを防ぐことができます。被覆作物が生育終了後に緑肥として土壌に混入されるのではなく、土壌表面に平らに敷き詰められると、ほぼ貫通不可能なマット状になります。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します。^{[ 37 ]}さらに、雑草の種子が発芽したとしても、被覆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、成長のための蓄積エネルギーが枯渇することがよくあります。これはしばしば被覆作物による窒息効果と呼ばれます。^{[ 38 ]}

被覆作物の中には、生育中と枯死後の両方で雑草を抑制するものがあります。^{[ 39 ]}生育中は、これらの被覆作物は利用可能な空間、光、栄養分をめぐって雑草と激しく競合し、枯死後は土壌表面にマルチ層を形成することで次の雑草の発生を抑制します。^{[ 40 ]}例えば、研究者らは、改良休耕システム（被覆作物の植栽を含むさまざまな管理方法によって休耕期間を意図的に改善するシステム）で被覆作物としてMelilotus officinalis （イエロースイートクローバー）を使用した場合、被覆作物の生育期終了時の雑草バイオマスは、総バイオマスの1～12%に過ぎないことを発見しました。^{[ 39 ]}さらに、被覆作物の除去後、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）システムよりも雑草を75～97%低いレベルに抑制しました。

競合や物理的な雑草抑制に加えて、特定の被覆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ます。^{[ 41 ] [ 42 ]}これは、被覆作物の特定の生化学的化合物が分解され、それが他の植物種に対して毒性を持つか、種子の発芽を阻害する場合に起こります。アレロパシー被覆作物のよく知られた例としては、Secale cereale（ライ麦）、Vicia villosa（ヘアリーベッチ）、Trifolium pratense（アカツメクサ）、Sorghum bicolor（ソルガム・スーダングラス）、およびアブラナ科の種、特にカラシナ類などがあります。^{[ 43 ]}ある研究では、ライ麦被覆作物の残渣が、大豆、タバコ、トウモロコシ、ヒマワリなどのさまざまな換金作物の生産中にマルチとして使用された場合、初期の広葉雑草を80%から95%抑制することがわかっています。^{[ 44 ]}一般的に、被覆作物は換金作物と競合する必要はない。被覆作物は他の作物が定着する前に、シーズンの早い段階で栽培および除去することができるからである。^{[ 40 ]}

2010 年に農業研究局(ARS)が発表した研究^{[ 45 ]}では、科学者たちがライ麦の播種量と植え付けパターンが被覆作物の生産にどのように影響するかを調査しました。その結果、ライ麦を 1 エーカーあたりに多く植えると被覆作物の生産量が増加し、雑草の量も減少することが示されました。科学者たちがマメ科植物とオート麦の播種量をテストしたときも同様でした。1 エーカーあたりに植える種子の密度が高いほど、雑草の量が減少し、マメ科植物とオート麦の生産量が増加しました。従来の列状または格子状のいずれかの植え付けパターンは、被覆作物の生産量または被覆作物の雑草の生産量に大きな影響はないようです。ARS の科学者たちは、播種量を増やすことは雑草防除の有効な方法になり得ると結論付けました。^{[ 46 ]}

コーネル大学の持続可能な作物栽培システム研究所は、2023年5月に、時期を定めた植え付けと、被覆作物の品種と系統的に類似した換金作物の戦略的な組み合わせの有効性を調査した研究を発表しました。主任研究者のウリエル・メナレド氏は、被覆作物と換金作物を研究結果に従って植え付ければ、農家は雑草の生育を最大99%削減できることを発見しました。この研究は、農家が既存の輪作体系に最適な被覆作物を特定するための包括的な枠組みを提供します。要するに、この研究の結果は、系統的関連性を利用して雑草の生育を大幅に抑制できるという理解を裏付けています。^{[ 47 ]}

被覆作物の他感作用が雑草を抑制するのと同様に、被覆作物は病害サイクルを断ち切り、細菌性および真菌性疾患^{[ 48 ]}や寄生性線虫^{[ 49 ] [ 50 ]}の個体数を減少させることもできる。カラシナなどのアブラナ科の種は、植物細胞組織内のグルコシノレート化合物の分解中に自然発生する有毒化学物質を放出することにより、真菌性疾患の個体数を抑制することが広く示されている^{[ 51 ] 。}

Some cover crops are used as trap crops, to attract pests away from the crop of value and toward what the pest sees as a more favorable habitat.^[52] Trap crop areas can be established within crops, within farms, or within landscapes. In many cases, the trap crop is grown during the same season as the food crop being produced. The limited area occupied by these trap crops can be treated with a pesticide once pests are drawn to the trap in large enough numbers to reduce pest populations. In some organic systems, farmers drive over the trap crop with a large vacuum-based implement to physically pull the pests off the plants and out of the field.^[53] This system has been recommended for use to help control the lygus bugs in organic strawberry production.^[54] Another example of trap crops is nematode-resistant white mustard (Sinapis alba) and radish (Raphanus sativus). They can be grown after a main (cereal) crop and trap nematodes, for example, the beet cyst nematode^[55][56] and the Columbian root knot nematode.^[57] When grown, nematodes hatch and are attracted to the roots. After entering the roots they cannot reproduce in the root due to a hypersensitive resistance reaction of the plant. Hence the nematode population is greatly reduced, by 70–99%, depending on species and cultivation time.

Other cover crops are used to attract natural predators of pests by imitating elements of their habitat. This is a form of biological control known as habitat augmentation, but achieved with the use of cover crops.^[58] Findings on the relationship between cover crop presence and predator–pest population dynamics have been mixed, suggesting the need for detailed information on specific cover crop types and management practices to best complement a given integrated pest management strategy. For example, the predator mite Euseius tularensis is known to help control the pest citrus thrips in Central California citrus orchards. Researchers found that the planting of several different leguminous cover crops (such as bell bean, woollypod vetch, New Zealand white clover, and Austrian winter pea) provided sufficient pollen as a feeding source to cause a seasonal increase in E. tularensis populations, which with good could potentially introduce enough predatory pressure to reduce pest populations of citrus thrips.^[59]

被覆作物は、おとり作物や天敵の生息地としての役割にとどまらず、土壌の健康を改善し、害虫や病気のサイクルを阻害することで、害虫管理に貢献することができます。イネ科植物、マメ科植物、アブラナ科植物は、侵食を減らし、土壌有機物を増やし、微生物活動を促進することで、より回復力のある換金作物を支え、害虫や病原菌による収量損失を減らすことが示されています。^{[ 60 ]}さらに、いくつかのシステムでは、間作や作物列間の生きた被覆を維持することが、天敵の豊富さと多様性を促進し、生物的防除を強化するために見られます。^{[ 61 ] [ 62 ]}

被覆作物は一般的に上述の目的のいずれかを果たすために利用されますが、野生生物の生息地としても利用されることがよくあります。被覆作物は、換金作物の輪作に植物の多様性という少なくとももう1つの側面を加えます。被覆作物は通常、価値のある作物ではないため、その管理は通常、集約的ではなく、農場への「ソフトな」人的影響の期間を提供します。この比較的「手をかけない」管理は、被覆作物の導入によって生じる農場内の多様性の増加と相まって、より複雑な栄養構造が発達し、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ます。^{[ 63 ]}

ある研究では、研究者らは米国南部で慣行栽培の綿畑と被覆作物を栽培した綿畑の間で、節足動物と鳴禽類の種構成と畑の利用状況を比較した。被覆作物を栽培した綿畑にはクローバーが植えられ、綿の生育初期の間、綿の列の間にそのまま生育させた（帯状被覆栽培）。渡りと繁殖期の間、研究者らはクローバーを被覆作物として組み込んだ綿畑では、慣行栽培の綿畑に比べて鳴禽類の密度が7 ～ 20倍高いことを発見した。節足動物の個体数とバイオマスも、鳴禽類の繁殖期の大部分でクローバー被覆作物を栽培した綿畑の方が高かったが、これはクローバーからの花蜜の供給が増加したためと考えられた。クローバー被覆作物は、隠れ場所を提供し、節足動物の個体数の増加による食料源を増やすことで、鳴禽類の生息地を強化した。^{[ 64 ]}

• 農業生態学– 農業における生態学的プロセスの研究 
• アレロパシー― 他の生物の成長に影響を与える生化学物質の生成 
• 生物的防除– 他の生物を利用した害虫防除リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ 
• 緑肥– マルチング材または土壌改良材として利用するために農地に残された有機物 
• 地被植物 – 低く広がる植物 リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ 
• 窒素循環– 窒素が様々な化学形態に変換される生物地球化学的循環 
• 窒素固定– 二窒素をアンモニアに変換する過程 
• 有機物– 有機化合物から構成される物質 
• 土壌汚染– 人工化学物質またはその他の改変による土地の汚染 

• SARE全国大会。テーマ：被覆作物。
• 中西部被覆作物協議会栽培者、研究者、教育者向けの資料。
• Clark, Andy 編 (2007).被覆作物の収益性管理(PDF) (第 3 版). メリーランド州ベルツビル: サステナブル農業ネットワーク.
• Giller, KE; Cadisch, G. (1995). "生物学的窒素固定による将来の利益：農業への生態学的アプローチ". Plant and Soil . 174 ( 1–2 ): 255–277 . Bibcode : 1995PlSoi.174..255G . doi : 10.1007/bf00032251 . S2CID 24604997 . 
• Hartwig, NL; Ammon, HU (2002). "50周年記念 - 招待論文 - 被覆作物と生きたマルチ". Weed Science . 50 (6): 688– 699. doi : 10.1614/0043-1745(2002)050 [ 0688:aiacca ] 2.0.co ; 2 . S2CID 86045745 . 
• Hill, EC; Ngouajio, M.; Nair, MG (2006). "ヘアリーベッチとササゲの水抽出物に対する雑草と野菜作物の異なる反応" . HortScience . 31 (3): 695– 700. doi : 10.21273/HORTSCI.41.3.695 .
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• 「被覆作物」、『アメリカ農業百科事典』第2巻、LH ベイリー編（1911年）。被覆作物の品種と利用法に関する初期の一次資料である、短い百科事典記事。