輪作

輪作とは、一連の生育期にわたって、同じ地域で一連の異なる種類の作物を栽培する慣行です。この慣行により、作物が特定の栄養素、害虫、雑草の圧力に依存することが減り、耐性のある害虫や雑草が発生する可能性も減ります。

何年も続けて同じ場所で同じ作物を栽培する（単一栽培）と、土壌から特定の栄養素が徐々に枯渇し、非常に競争の激しい害虫と雑草の群落が選択されます。栄養素の使用バランスをとり、害虫と雑草の群落を多様化しなければ、単一栽培の生産性は、土壌の肥沃度に有害となる可能性のある外部からの投入に大きく依存することになります。逆に、適切に設計された輪作は、多様な作物からの生態系サービスをより有効に活用することで、合成肥料と除草剤の必要性を減らすことができます。さらに、輪作は土壌構造と有機物を改善し、浸食を減らし、農業システムの回復力を高めます。

農民は、人間の食用穀物の代わりに家畜用の春作物を植えるなど、適切な輪作によって生産性の高い土壌を回復または維持できることを長い間認識してきました。古代近東の農民は紀元前6000年に輪作を実践し、マメ科植物と穀物を交互に植えていました。^{[1] [2] [より良い情報源が必要]}

二圃輪作では、1年間に土地の半分を耕作し、残りの半分を休耕する。そして翌年、2つの圃場を逆にする。中国では、東周時代から二圃輪作と三圃輪作の両方のシステムが採用されていた。^[3]

9 世紀から 11 世紀にかけて、ヨーロッパの農民は二圃システムから三圃システムに移行しました。このシステムは 20 世紀まで続きました。利用可能な土地は 3 つのセクションに分割されました。1 つのセクションには秋にライ麦または冬小麦が植えられ、続いて春にオート麦または大麦が植えられました。2 番目のセクションでは、エンドウ豆、レンズ豆、またはインゲン豆などのマメ科植物などの作物が栽培され、3 番目のフィールドは休耕地のままでした。3 つのフィールドはこのようにローテーションされ、3 年ごとに 1 つのフィールドが休耕地になりました。二圃システムでは、どの年でも土地の半分だけが植えられました。新しい三圃ローテーション システムでは、土地の 3 分の 2 が植えられ、より多くの収穫が得られる可能性がありました。しかし、追加された作物は、単なる量的生産性よりも重要な効果がありました。春の作物は主にマメ科植物であり、植物がタンパク質を作るために必要な窒素を固定するため、ヨーロッパの人々の栄養が全体的に増加しました。^[4]

ワースランド地方（現在のベルギー北部）の農民は16世紀初頭に四圃輪作の先駆者となり、18世紀にはイギリスの農学者チャールズ・タウンゼント（1674-1738）が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つの作物を連続して栽培し、飼料作物と放牧作物を栽培することで、一年中家畜を飼育することができた。四圃輪作はイギリス農業革命の重要な発展となった。^[5]

ジョージ・ワシントン・カーバー（1860年代 - 1943年）は、アメリカ合衆国で輪作法を研究し、綿花のような土壌を枯渇させる作物とピーナッツやエンドウ豆のような土壌を豊かにする作物を輪作する方法を南部の農家に教えた。^[6]

20 世紀半ばの緑の革命では、先進国における輪作は、肥料の追肥、硝酸アンモニウムや尿素などの施用、石灰による土壌 pH の回復を通じて土壌への化学物質の投入を補う慣行に取って代わられました。このような慣行は、収穫量を増やし、特殊な作物のために土壌を準備し、植え付け、収穫、灌漑を簡素化することで無駄と非効率性を減らすことを目的としていました。

作物の相互関係の予備的な評価は、各作物がどのようになっているかによってわかる。^[7]

1. 土壌有機物（SOM）含有量に貢献します。
2. 害虫管理を提供します。
3. 栄養素の不足や過剰を管理します。
4. 土壌侵食に寄与したり、土壌侵食を抑制したりします。
5. 他の作物と交配して雑種子孫を生み出します。
6. 食物連鎖や野外生態系を取り巻く環境への影響。

作物の選択は、農家が輪作で達成しようとしている目標に関係していることが多く、その目標には雑草管理、土壌中の利用可能な窒素の増加、浸食の抑制、土壌構造とバイオマスの増加などが挙げられます。^[8]輪作について議論する場合、作物は、評価する品質に応じて、科別、栄養ニーズ/利点別、および/または収益性別（換金作物対カバー作物）など、さまざまな方法で分類されます。^[9]たとえば、害虫や病原体を軽減するには、植物科に十分な注意を払うことが不可欠です。ただし、多くの農家は、望ましい換金作物の周りに順序付けとカバー作物を計画することで、輪作の管理に成功しています。^[10]以下は、作物の品質と目的に基づいた簡略化された分類です。

野菜など、市場にとって重要な作物の多くは、条植え（つまり、密集した列で栽培）です。^[9]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ですが、土壌への負担が大きいです。^[9]条植えは通常、バイオマスが少なく、根が浅いため、周囲の土壌への残留物が少なく、構造への影響が限られています。^[11]植物の周囲の土壌の多くは降雨や交通による撹乱にさらされているため、条植えの畑では微生物による有機物の分解が速く、将来の植物に残る栄養素が少なくなります。^[11]

つまり、これらの作物は農場にとって利益をもたらすかもしれないが、栄養を枯渇させる。輪作の慣行は、短期的な収益性と長期的な生産性のバランスをとるために存在している。^[10]

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まれます。アルファルファやクローバーなどのマメ科植物は、大気から利用可能な窒素を集め、根の根粒に蓄えます。^[12]植物が収穫されると、集められなかった根のバイオマスが分解され、蓄えられた窒素が将来の作物に利用できるようになります。^[13]

穀物や牧草は土壌の質と構造に多くの利点をもたらすため、よくカバー作物として使われます。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、土壌有機物に重要なバイオマスを提供します。

草や穀類は、土壌のスペースや栄養素をめぐって不要な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。

緑肥は土壌に混ぜる作物です。窒素固定マメ科植物と、イネ科植物のような栄養素捕捉植物は、どちらも緑肥として使用できます。^[12]マメ科植物の緑肥は、特に有機システムにとって優れた窒素源ですが、マメ科植物のバイオマスは、イネ科植物のように永続的な土壌有機物には貢献しません。^[12]

輪作を計画する際には、考慮すべき要素が数多くあります。効果的な輪作を計画するには、市場、農場の規模、労働力、気候、土壌の種類、栽培方法など、固定された生産状況と変動する生産状況を比較検討する必要があります。 ^[14]さらに、輪作では、ある作物がどのような状態で土壌から出て次の作物になるか、またある作物に別の作物を播種する方法も考慮する必要があります。 ^[14]たとえば、マメ科植物などの窒素固定作物は、常に窒素枯渇作物の前に植えるべきです。同様に、残渣の少ない作物（つまりバイオマスの少ない作物）は、イネ科植物とマメ科植物の混合物のようなバイオマスの多い被覆作物で補う必要があります。^[7]

輪作に使用できる作物の数や輪作の完了にかかる時間に制限はありません。^[11]輪作に関する決定は、何年も前、数シーズン前、または収益や土壌の質を向上させる機会が訪れたときに土壇場で行われます。^[10]

輪作システムは、家畜や肥料の追加などの他の慣行によって強化される可能性があり、^[15]また、畑で一度に複数の作物を栽培することによって強化される可能性があります。単一栽培とは、畑で1つの作物だけを栽培することです。複合栽培とは、2つ以上の作物を同じ場所で同時に栽培することです。輪作は単一栽培と複合栽培の両方に適用でき、農業生物多様性を高める複数の方法をもたらします（表）。^[16]

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（肥料を通して）これらの作物に含まれる栄養素を土壌全体に行き渡らせることができるため、干し草の販売によって農場から栄養素が取り除かれることはありません。^[11]

混合農業、つまり家畜を組み込んだ作物栽培は、作物の輪作管理や栄養循環に役立ちます。作物の残渣は家畜の飼料となり、家畜は作物の栄養と牽引力を補充するための肥料となります。これらのプロセスは内部栄養循環を促進し、合成肥料や大型機械の必要性を最小限に抑えます。追加の利点として、牛、羊、山羊はミルクを提供し、経済的に困難な時期には換金作物として機能します。^[17]

混作やコンパニオンプランティングなどの複合栽培システムは、同じ季節や輪作の中で、より多様性と複雑性を提供します。一例として、トウモロコシとつる豆、蔓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、豆が窒素を供給し、トウモロコシが豆を支え、カボチャの蔓性ボーラーに対する「スクリーン」となり、蔓性カボチャが雑草抑制の天蓋となり、トウモロコシを欲しがるアライグマの侵入を阻止します。^[8]

二毛作は、通常異なる種の2つの作物を同じ栽培期に連続して栽培する場合、または1つの作物（野菜など）をカバー作物（小麦など）とともに継続的に栽培する場合によく使用されます。^[7]これは、大規模農場のように長期間にわたって土壌を補充するためにカバー作物を残す余裕がないことが多い小規模農場にとって有利です。小規模農場で多毛作を実施した場合、これらのシステムは利用可能な土地資源での輪作のメリットを最大化できます。^[10]

米国では、有機認証を取得しようとする農場では輪作が必須となっている。^[18]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「輪作実践基準」では、

農家は土壌有機物を維持または増強し、害虫を防除し、栄養素を管理・保全し、浸食を防ぐ輪作を実施する必要があります。輪作を行わない多年生作物の生産者は、土壌の健康を維持するために、被覆作物などの他の方法を活用することができます。^[11]

輪作は、害虫や雑草を防除し、利用可能な栄養素を増やすことで、投入量の必要性を減らすだけでなく、有機栽培農家が農場の生物多様性を高めるのに役立ちます。^[11]生物多様性は有機認証の要件でもありますが、この基準を規制または強化する規則はありません。^[11]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 によって発見されたように、動物、昆虫、 ^[11]、および土壌内の有益な微生物^{[11]の多様性を高めることができます。 [19]}一部の研究では、有機栽培では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、従来の方法と比較して有機システムでの輪作による栄養素の利用可能性が高まると指摘されています。^[20]

多毛作や混作は輪作と同じ原則の多くから恩恵を受けますが、 NOPの要件を満たしていません。^[11]

農学者は、輪作作物の収穫高に対する利点を「輪作効果」と呼んでいます。輪作システムには多くの利点があります。収穫高の増加に関連する要因は、主に単一栽培システムのマイナス要因の緩和によるものです。具体的には、栄養の改善、害虫、病原体、雑草によるストレスの軽減、土壌構造の改善が、輪作の有益な効果と相関していることが判明しているケースもあります。

その他の利点としては、生産コストの削減が挙げられます。全体的な財務リスクは、作物や家畜の生産の多様性が増すことで、より広く分散されます。購入した投入物への依存度が低くなり、時間の経過とともに、作物はより少ない投入物で生産目標を維持できます。これと短期および長期の収穫量の増加が相まって、輪作は農業システムを改善するための強力なツールとなります。

異なる種を輪作することで、土壌有機物 (SOM) が増加し、土壌構造が強化され、作物にとっての化学的および生物学的土壌環境が改善されます。SOM が増えると、水の浸透と保持が改善され、干ばつ耐性が高まり、浸食が減少します。

土壌有機物は、バイオマスの腐敗物質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骸からのバイオマスへの露出を増やします。輪作では集中的な耕作の必要性が減るため、バイオマスの凝集により栄養素の保持と利用が向上し、追加の栄養素の必要性が減ります。^[9]耕作により土壌が破壊され酸化されると、土壌中の微生物の多様性と増殖に不利な環境が生まれます。これらの微生物は、植物が利用できる栄養素を作るものです。したがって、「活性」土壌有機物は生産性の高い土壌の鍵ですが、微生物の活動が低い土壌は、土壌に残っているバイオマスの量が同じであっても、植物に提供する栄養素が大幅に少なくなります。

土壌微生物も競争を通じて病原菌や​​害虫の活動を減少させます。さらに、植物は根から分泌物やその他の化学物質を生成し、土壌環境だけでなく雑草環境も操作します。したがって、輪作は栄養素の利用可能性から収穫量の増加を可能にするだけでなく、アレロパシーや競合する雑草環境の緩和にもつながります。^[21]

輪作は土壌有機炭素（SOC）含有量を大幅に増加させます。SOCは土壌有機物の主成分です。^[22]炭素は、水素や酸素とともに、植物にとって主要栄養素です。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いますが、土壌撹乱（耕起など）はSOCレベルの急激な低下を引き起こします。^[22]ブラジルでは、不耕起農法への転換と集中的な輪作を組み合わせることで、年間1ヘクタールあたり0.41トンのSOC隔離率が得られました。^[23]

大気中の炭素の隔離は、作物の生産性を高めるだけでなく、大気から二酸化炭素を除去することで 気候変動の速度を低下させることにも大きな影響を与えます。

輪作は土壌に栄養分を加えることができる。マメ科の植物であるマメ科植物の根には根粒があり、根粒には窒素固定細菌である根粒菌が含まれている。根粒菌は根粒形成と呼ばれるプロセスで、植物から供給される栄養素と水を使用して大気中の窒素をアンモニアに変換し、次に植物が窒素源として使用できる有機化合物に変換される。^{[24]そのため、農業的には、}イネ科植物や硝酸塩を必要とする他の植物と交互に栽培するのが理にかなっている。植物が利用できる窒素の量は、マメ科植物の種類、根粒菌の有効性、土壌条件、植物の栄養に必要な要素の利用可能性などの要因によって決まる。^[25]

輪作は、時間の経過とともに土壌に定着する可能性のある害虫や病気の防除にも使用されます。作物を順番に変更すると、(1)害虫のライフサイクルが中断され、(2)害虫の生息地が中断されるため、害虫の個体数が減ります。^[10]同じ分類学上の科の植物は、同様の害虫や病原体を持つ傾向があります。定期的に作物を変更し、土壌を休耕状態にせずにカバー作物で占めておくと、害虫のサイクル、特に残渣の中で越冬することで利益を得るサイクルを中断または制限できます。^[26]たとえば、ネコブセンチュウは温暖な気候と砂質土壌の一部の植物にとって深刻な問題であり、土壌でゆっくりと高レベルに蓄積し、植物の根からの循環を遮断することで植物の生産性に深刻なダメージを与える可能性があります。あるシーズンにネコブセンチュウの宿主ではない作物を栽培すると、土壌中のセンチュウのレベルが大幅に減少し、次のシーズンには土壌燻蒸を必要とせずに感受性作物を栽培することが可能になります。

この原理は、合成農薬を使用せずに害虫駆除を行わなければならない有機農業において特に有用である。 ^[15]

特定の作物、特にカバークロップを輪作に組み込むことは、雑草管理にとって特に価値がある。これらの作物は競争を通じて雑草を追い出す。さらに、カバークロップと緑肥からの芝と堆肥は、まだ土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。カバークロップを栽培しながら雑草の成長と増殖を遅らせることで、農家は将来の作物（雑草に対する耐性が低い浅根作物や条作物を含む）の雑草の存在を大幅に減らすことができる。したがって、カバークロップは、休耕地が雑草に覆われるのを防ぐため、保全作物と見なされている。^[26]

このシステムは、耕作などの雑草管理の一般的な方法に比べて利点があります。耕作は、土壌を掘り返すことで雑草の成長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め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、土壌内の生存可能な種子の数が減少します。

雑草は作物の品質や収穫量に悪影響を及ぼすだけでなく、収穫のプロセスを遅らせることもあります。雑草は収穫時の農家の効率を低下させます。なぜなら、ヒルガオやノコギリソウなどの雑草が機械に絡まってしまい、収穫作業が中断してしまうからです。^[27]

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。浸食の影響を受けやすい地域では、ゼロ耕起や減耕起などの農業管理手法に、雨滴の影響、堆積物の剥離、堆積物の輸送、表面流出、土壌の損失を減らすための特定の輪作法を補完することができます。 ^[28]

土壌流出に対する保護は、土壌上に最大の量の作物の切り株（収穫後に残った植物の残渣）を残す輪作法によって最大化されます。切り株が土壌に接することで、地表流の速度、水流の力、そして水が堆積物を剥離して運ぶ能力が低減し、水による浸食が最小限に抑えられます。^[29]土壌浸食と土壌封鎖により、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粒の破壊と剥離が防止されます。^[30]これにより、浸食とストレスにさらされた期間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な働きをする結合物質が形成され、粒子がくっついて団粒を形成します。^[31]土壌団粒の形成は、雨滴の衝撃や水による浸食に抵抗する能力が高くなるため、侵食防止に重要です。土壌団粒は粒子が大きく、耕作による摩耗に強いため、風による浸食も軽減します。^[32]

輪作による侵食防止効果は気候によって異なる。年間降雨量と気温が一定と想定される比較的安定した気候条件の地域では、厳格な輪作で十分な植物の成長と土壌被覆が得られる。気候条件が予測しにくく、予期せぬ雨や干ばつの期間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はより柔軟なアプローチが必要である。機会耕作システムは、こうした不安定な気候条件下でも十分な土壌被覆を促進する。^[33]機会耕作システムでは、土壌水分が十分で、信頼できる播種時期があるときに作物が栽培される。この形態の耕作システムは、作物が最適な条件下でのみ播種されるのに対し、厳格なシステムでは必ずしも利用可能な最良の条件で播種されるとは限らないため、厳格な輪作よりも優れた土壌被覆が得られる可能性が高い。^[34]

輪作は、畑が休耕される時期と期間にも影響します。^[35]これは非常に重要なことです。特定の地域の気候によっては、休耕中の畑が最も侵食を受けやすい場合があるからです。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に不可欠な要素です。ゼロ耕起は、作物を植えられない場合に、計画外の長い休耕中に作物の刈り株を保持することを促進する基本的な管理方法です。^[33]休耕中の地域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、最終的に土壌の流出を減らすことになります。10年間続いた最近の研究では、秋ライ麦などのジャガイモ収穫後の一般的な冬の被覆作物は、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のある土壌です。^[36]

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、昆虫、^{[11] 、}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ら2014年とLoriら2017年^[19]によって明らかにされています。一部の研究では、有機栽培では、植物の栄養素の吸収を高めるアーバスキュラー菌根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、従来の方法と比較して有機システムでの輪作による栄養素の利用可能性が高まると指摘されています。^[20]生物多様性を高めることは、農業生態系の回復力も高めます。^[9]

輪作は土壌の栄養状態を改善し、収穫量の増加に貢献します。異なる時期に異なる作物を植えて収穫する必要があるため、同じ量の機械と労働力でより広い土地を耕作することができます。

異なる作物を輪作することで、個々の農家にとって悪天候のリスクを軽減することができます。^{[37] [38]}

輪作には綿密な計画が必要ですが、作物の選択は、土壌の種類、地形、気候、灌漑などの固定条件に加えて、年ごとに劇的に変化する可能性のある条件（天候、市場、労働力供給）に対応する必要があります。^{[10]このように、何年も先の作物を計画するのは賢明ではありません。輪作計画の不適切な実施は、土壌の栄養成分の不均衡や、重要な作物に影響を与える病原体の蓄積につながる可能性があります。 [10]}輪作の不備の結果は、経験豊富な土壌科学者でさえも明らかになるまでに何年もかかる可能性があり、修正にも同じくらいの時間がかかります。^[10]

輪作に関連する実践には多くの課題が存在します。例えば、マメ科植物の緑肥はカタツムリやナメクジの侵入につながる可能性があり、緑肥の腐敗は他の作物の成長を抑制することもあります。^[13]

• 農業生態学
• 炭素循環
• 転換可能な畜産
• フィールドシステム
• 耕作による侵食

• 中世の技術
• 「作物の輪作」 。新国際百科事典。1905年。