輪作

二圃輪作では、土地の半分を1年間耕作し、残りの半分を休耕地とする。そして翌年には、2つの圃場を逆にする。中国では、二圃と三圃の両方のシステムが東周時代から使用されていた。^{[ 3 ]}

9世紀から11世紀にかけて、ヨーロッパの農民は2圃制から3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つの区画に分けられた。最初の区画ではライ麦や小麦などの秋植え作物が栽培された。2番目の区画ではオート麦、大麦、豆類（エンドウ豆、レンズ豆、インゲン豆など）などの春植え作物が栽培された。3番目の区画は休耕地とされた。3つの区画はこのように輪作され、3年ごとに1つの区画が休耕地となった。2圃制では、毎年土地の半分しか作付けされなかった。新しい3圃制では、土地の3分の2が作付けされ、より多くの収穫が見込めた。しかし、追加された作物は、単なる量的生産性以上の大きな効果をもたらした。春植え作物は主に豆類であり、植物がタンパク質を作るのに必要な窒素を固定するため、ヨーロッパの人々の全体的な栄養状態が向上した。^{[ 4 ]}

イギリスの農業家チャールズ・タウンゼント（1674～1738）は、18世紀にこのシステムを普及させた。小麦、カブ、大麦、クローバーの4つの作物の輪作には、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できた。4圃場輪作は、イギリス農業革命における重要な発展となった。^{[ 5 ]}

20世紀半ばの緑の革命において、先進国では輪作に代わって、肥料による追肥によって土壌への化学投入を補う手法が用いられるようになった。例えば、硝酸アンモニウムや尿素を添加し、石灰で土壌のpHを調整するといった方法である。こうした手法は、収量の増加、特定の作物に適した土壌の準備、そして植え付け、収穫、灌漑の簡素化による無駄や非効率性の削減を目的としていた。

野菜など、市場にとって重要な作物の多くは、列状に栽培される作物（つまり、密に列状に栽培される作物）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一方で、土壌への負担も大きくなります。^{[ 8 ]}列状に栽培される作物は、一般的にバイオマスが少なく、根も浅いため、周囲の土壌への残渣が少なく、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が降雨や交通による攪乱にさらされるため、列状に栽培される畑では、微生物による有機物の分解が速く進み、将来の植物に利用できる栄養素が少なくなります。^{[ 10 ]}

要するに、これらの作物は農場にとって利益になるかもしれないが、栄養分を枯渇させる。輪作は、短期的な収益性と長期的な生産性のバランスを取るために存在する。^{[ 9 ]}

輪作の大きな利点は、窒素固定作物と窒素要求作物の相互関係から生じます。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、根の構造にある根粒に蓄えます。^{[ 11 ]}植物が収穫されると、収穫されなかった根のバイオマスが分解され、蓄えられた窒素が次の作物に利用できるようになります。^{[ 12 ]}

穀物や牧草は、土壌の質や構造に多くの利点をもたらすため、被覆作物としてよく用いられます。 ^{[ 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、土壌有機物のための重要なバイオマスを提供します。

イネ科植物や穀物は、土壌のスペースや栄養分をめぐって望ましくない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 ]}

緑肥は土壌に混ぜ込む作物です。窒素固定を行うマメ科植物と、イネ科植物のような養分吸収植物の両方を緑肥として利用できます。^{[ 11 ]}マメ科植物の緑肥は、特に有機栽培システム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持続的な蓄積には寄与しません。^{[ 11 ]}

輪作システムは、家畜や堆肥の投入^{[ 16 ]}、および畑で一度に複数の作物を栽培するなどの他の手法によって強化される可能性があります。単作とは、畑で単一の作物を栽培することです。混作とは、同じ場所で同時に2つ以上の作物を栽培することです。輪作は単作と混作の両方に適用でき、農業の生物多様性を高めるための複数の方法をもたらします（表）。^{[ 17 ]}

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できるようになります。家畜は（糞尿を通して）これらの作物の栄養分を土壌全体に分配することができ、干し草の販売によって農場から栄養分が持ち出されるのを防ぐことができます。^{[ 10 ]}

混合農業、つまり作物栽培と家畜の飼育を組み合わせた農業は、作物の輪作と栄養素の循環管理に役立ちます。作物の残渣は家畜の飼料となり、家畜は作物の栄養素を補充するための糞尿と牽引力を提供します。これらのプロセスは内部の栄養循環を促進し、合成肥料や大規模な機械の必要性を最小限に抑えます。さらに、牛、羊、ヤギは牛乳を提供し、経済的に困難な時期には換金作物としても機能します。^{[ 18 ]}

混作やコンパニオンプランティングなどの多品種栽培システムは、同じ季節または輪作の中でより多様性と複雑さを提供します。例として、トウモロコシとつる性インゲン、つる性カボチャまたはカボチャを混植する「スリーシスターズ」があります。このシステムでは、インゲンは窒素を供給し、トウモロコシはインゲンを支え、カボチャのつるを食い荒らす虫に対する「スクリーン」となり、つる性カボチャは雑草抑制のキャノピーとなり、トウモロコシを食べたがるアライグマを寄せ付けません。^{[ 7 ]}

二毛作は、通常は異なる種類の2つの作物を同じ生育期に連続して栽培する場合、または1つの作物（例えば野菜）を被覆作物（例えば小麦）と連続して栽培する場合に一般的です。^{[ 6 ]}これは、大規模農場のように長期間被覆作物を残して土壌を回復させる余裕がないことが多い小規模農場にとって有利です。小規模農場で複数の作物を栽培する場合、これらのシステムは利用可能な土地資源で輪作のメリットを最大化できます。^{[ 9 ]}

輪作は、米国において有機認証を目指す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「輪作実施基準」には、次のように記載されている。

農家は、土壌有機物を維持または増加させ、害虫を防除し、栄養素を管理および保全し、浸食を防ぐ輪作を実施することが求められています。輪作を行わない多年生作物の生産者は、被覆作物などの他の方法を利用して土壌の健康を維持することができます。^{[ 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、動物相、昆虫相、^{[ 10 ]}および土壌中の有益な微生物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 の研究で明らかになった。^{[ 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の阻害が少ないため^{、有機栽培では慣行栽培に比べて作物の輪作による栄養素の利用可能性が}高まると指摘している^{。[ 21 ]}

多毛作や間作は輪作と同じ原則の多くから恩恵を受けるが、 NOPの要件を満たさない。^{[ 10 ]}

異なる種類の植物を輪作することで、土壌有機物（SOM）の増加、土壌構造の改善、そして作物にとっての化学的・生物学的土壌環境の向上が期待できます。SOMが増加すれば、水の浸透と保持力が向上し、干ばつ耐性が高まり、土壌侵食が減少します。

土壌有機物は、バイオマス由来の腐敗物と活性微生物の混合物です。輪作は、その性質上、芝、緑肥、その他のさまざまな植物残渣からのバイオマスへの曝露を増加させます。輪作による集約的な耕起の必要性の減少により、バイオマスの凝集が栄養素の保持と利用の増加につながり、追加の栄養素の必要性が減少します。^{[ 8 ]}耕起により、土壌の破壊と酸化により、土壌中の微生物の多様性と増殖に適さない環境が作られます。これらの微生物は、植物が栄養素を利用できるようにしています。したがって、「活性」土壌有機物が生産的な土壌の鍵である一方で、微生物活性の低い土壌は、土壌に残っているバイオマスの量が同じであっても、植物に供給する栄養素が大幅に少なくなります。

土壌微生物は、競合を通じて病原菌や​​害虫の活動も減少させます。さらに、植物は根からの分泌物やその他の化学物質を生成し、土壌環境や雑草環境を操作します。したがって、輪作は栄養素の利用可能性による収量の増加だけでなく、アレロパシーや雑草との競合環境の緩和にもつながります。^{[ 23 ]}

輪作は土壌有機炭素（SOC）含有量を大幅に増加させ、土壌有機物の主成分となります。^{[ 24 ]}炭素は水素や酸素とともに植物の主要栄養素です。長期間にわたる非常に多様な輪作はSOCの増加にさらに効果的であることが示されており、一方、土壌の撹乱（例えば耕起によるもの）はSOCレベルの指数関数的な減少の原因となります。^{[ 24 ]}ブラジルでは、不耕起栽培への転換と集約的な輪作の組み合わせにより、1ヘクタールあたり年間0.41トンのSOC隔離率が確認されています。^{[ 25 ]}

大気中の炭素を隔離することは、作物の生産性を向上させるだけでなく、大気中の二酸化炭素を除去することで気候変動の速度を遅らせるという大きな意義も持っている。

輪作は土壌に栄養分を加えることができます。マメ科植物（Fabaceae科の植物）の根には、根粒と呼ばれる窒素固定細菌を含む根粒があります。根粒形成と呼ばれる過程で、根粒菌は植物から供給される栄養分と水を利用して大気中の窒素をアンモニアに変換し、それが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 ]}したがって、農業的には、マメ科植物を穀物（Poaceae科）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。植物に供給される窒素の量は、マメ科植物の種類、根粒菌の有効性、土壌の状態、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 ]}

輪作は、土壌に時間とともに定着する可能性のある害虫や病気の抑制に役立ちます。作物を順番に変えることにより、（1）害虫の生活環を中断し、（2）害虫の生息地を中断することにより、害虫の個体数が減少します。^{[ 9 ]}同じ分類群に属する植物は、類似した害虫や病原体を持つ傾向があります。定期的に作物を変え、休耕地ではなく被覆作物で土壌を占有することで、害虫のサイクルを断ち切ったり制限したりすることができ、特に残渣の中で越冬することで恩恵を受けるサイクルは効果的です。^{[ 28 ]}この原則は、合成農薬を使用せずに害虫防除を達成しなければならない有機農業で使用されています。^{[ 16 ]}

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、被覆作物や緑肥の芝や堆肥は、土壌を通り抜けることができる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。被覆作物を栽培している間、雑草の成長と増殖を遅らせることで、農家は、雑草に対する抵抗力が低い浅根作物や列状作物など、将来の作物に対する雑草の存在を大幅に減らすことができる。したがって、被覆作物は、休耕地が雑草に侵食されるのを防ぐため、保全作物とみなされている。^{[ 28 ]}

このシステムは、耕起などの一般的な雑草管理方法に比べて利点があります。耕起は土壌をひっくり返すことで雑草の生育を抑制することを目的としていますが、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もれさせてしまうという逆効果があります。輪作では、雑草の個体数が減少することで、土壌中の発芽可能な種子の数が減少します。

雑草は作物の品質や収量に悪影響を与えるだけでなく、収穫作業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まることがあるため、収穫作業が中断と再開を繰り返すことになり、農家の効率を低下させます。^{[ 29 ]}

輪作は、水による浸食で失われる土壌の量を大幅に減らすことができます。浸食を受けやすい地域では、不耕起や減耕起などの農耕管理方法に加えて、雨滴の衝撃、土砂の剥離、土砂の運搬、表面流出、土壌の損失を減らすための特定の輪作方法を用いることができます。^{[ 30 ]}

土壌流出に対する保護は、収穫後に残る作物残渣（植物残渣）を土壌上に最大限残す輪作方法によって最大限に高められます。土壌に接する作物残渣の被覆は、地表流の速度、河川の力、ひいては水が堆積物を分離して運搬する能力を低下させることにより、水による侵食を最小限に抑えます。^{[ 31 ]}土壌侵食と被覆は、マクロポアの閉塞、浸透の低下、流出の増加を引き起こす土壌団塊の破壊と分離を防ぎます。^{[ 32 ]}これにより、侵食とストレスの期間にさらされたときの土壌の回復力が大幅に向上します。

飼料作物が分解されると、土壌上で接着剤のように作用する結合物質が形成され、粒子同士がくっつき、凝集体を形成します。^{[ 33 ]}土壌凝集体の形成は、雨滴の衝撃や水による侵食に対する抵抗力が向上するため、侵食防止に重要です。土壌凝集体は粒子が大きいため風による侵食も軽減し、耕作による摩耗にも強くなります。^{[ 34 ]}

輪作が侵食防止に及ぼす影響は気候によって異なります。年間降水量と気温が一定である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の成長と土壌被覆が得られます。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がある地域では、輪作による土壌被覆に対してより柔軟なアプローチが必要です。機会作システムは、このような不安定な気候条件の下で適切な土壌被覆を促進します。^{[ 35 ]}機会作システムでは、土壌水分が十分で、播種時期が確実なときに作物が栽培されます。この形態の作付けシステムは、作物が最適な条件下でのみ播種されるため、厳格な輪作システムよりも優れた土壌被覆が得られる可能性が高いです。厳格なシステムでは、必ずしも最良の条件下で播種されるとは限りません。^{[ 36 ]}

輪作は、畑が休耕される時期と期間にも影響します。^{[ 37 ]}これは、特定の地域の気候によっては、休耕中の畑が侵食に対して最も脆弱になる可能性があるため、非常に重要です。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ための不可欠な部分です。不耕起栽培は、作物を植えることができない計画外の長い休耕期間中に作物の残渣を保持することを促進する基本的な管理方法です。^{[ 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します。10年にわたる最近の研究では、ジャガイモ収穫後の一般的な冬作被覆作物である秋ライ麦は、土壌流出を最大43%削減できることがわかり、これは通常、最も栄養価の高い土壌です。^{[ 38 ]}

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、McDaniel et al 2014 および Lori et al 2017 が発見したように、より多様な動物、昆虫^{[ 10 ]} 、および土壌中の有益な微生物^{[ 10 ]を収容することができます。 [ 20 ]}いくつかの研究では、有機栽培では、植物の栄養吸収を増加させるアーバスキュラー菌根菌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、慣行栽培と比較して有機栽培システムでの輪作による栄養素の利用可能性が増加すると指摘しています。^{[ 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 ]}

輪作は土壌の栄養状態を改善することで収量増加に貢献する。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することが可能になる。

輪作に異なる作物を取り入れることで、個々の農家にとって悪天候のリスクを軽減できる。^{[ 39 ] [ 40 ]}