[論文レビュー] Multi-scale Analysis of Nitrogen Loss Mitigation in the US Corn Belt

Jing Liu, L. C. Bowling+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2022

Soil and Water Nutrient Dynamics被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、米国コーンベルト地域における窒素（N）損失低減戦略を評価するためのマルチスケール経済・生態モデルを開発した。細粒度の農業エコシステムモデルとグローバル市場経済フレームワークを統合し、湿地復元、窒素利用効率の向上、浸出化肥料税の組み合わせが、コーン価格にほとんど影響を与えることなくミシシッピ川へのN負荷を30–53％削減できることを明らかにした。これはEPAが定めた45％の低酸素水域削減目標を達成するための実現可能性のある道筋を示している。

ABSTRACT

Reducing the size of the hypoxic zone in the Gulf of Mexico has proven to be a challenging task. A variety of mitigation options have been proposed, each likely to produce markedly different patterns of mitigation with widely varying consequences for the economy. The general consensus is that no single measure alone is sufficient to achieve the EPA Task Force goal for reducing the Gulf hypoxic zone and it appears that a combination of management practices must be employed. However, absent a highly resolved, multi-scale framework for assessing these policy combinations, it has been unclear what pattern of mitigation is likely to emerge from different policies and what the consequences would be for local, regional and national land use, food prices and farm returns. We address this research gap by utilizing a novel multi-scale framework for evaluating alternative N loss management policies in the Mississippi River basin. This combines fine-scale agro-ecosystem responses with an economic model capturing domestic and international market and price linkages. We find that wetland restoration combined with improved N use efficiency, along with a leaching tax could reduce the Mississippi River N load by 30-53\% while only modestly increasing corn prices. This study underscores the value of fine-resolution analysis and the potential of combined economic and ecological instruments in tackling nonpoint source nitrate pollution.

研究の動機と目的

• ミシシッピ川流域における統合的窒素低減政策の評価に向けた高解像度でマルチスケールのフレームワークの不足に対処すること。
• フィールド内、エッジ・オブ・フィールド、および下流の栄養管理手法の異なる組み合わせが、Nの浸出、土地利用、食料価格、農家収益に与える影響を評価すること。
• 浸出化肥料税、改善されたN利用効率、制御排水、湿地復元などの政策機器の経済的・生態的トレードオフを定量化すること。
• 細粒度の生物物理的反応をAgro-IBISモデルから得たものと、グローバル市場経済モデル（SIMPLE-G-US-CS）を統合し、政策に起因する市場媒介効果のスプライシングを捉えること。

提案手法

• 本研究は、12.5アングル・ミニット解像度で、N肥料使用量、浸出、作物収量を含むグリッドセルレベルの農業エコシステム反応をシミュレートするためにAgro-IBISモデルを用いた。
• 温度依存の脱窒素反応率（K_i = k_Deni × θ^(T_i−20)）を有するタンクインシリーズモデルを用い、造成湿地における硝酸塩除去を推定した。N=1、f_w=0.005とした。
• SIMPLE-G-US-CSモデルは、グリッドレベルの緩和介入を国内および国際市場にリンクさせ、トウモロコシおよび大豆の供給に起因する政策誘発的変化に起因する価格および貿易のスプライシングを捉えた。
• 湿地面積（f_w）、排水流量（Q_cl,i）、および月次水文気象条件に基づく空間的に異なるN浸出低減をモデルに組み込んだ。
• 1トンのN浸出に対して1ドルの浸出化肥料税を課すと、肥料コストは平均で28.9％上昇し、N使用量は5.7％減少した。
• 本フレームワークは、4つの個別政策（A–D）とその組み合わせを評価し、地域的および全国的影響を要約するための集計を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合的窒素低減政策によってミシシッピ川への硝酸塩負荷を最大どれだけ削減できるか。また、EPA低酸素水域タスクフォースが定めた45％削減目標に最も近づく政策の組み合わせは何か。
• RQ2 異なる緩和政策の組み合わせに起因する市場媒介効果（トウモロコシおよび大豆価格や貿易の変化）は、どのように変化するか。
• RQ3 異なる政策シナリオ下でコーンベルト地域におけるN浸出低減の空間的パターンはどのようになるか。また、どの地域が緩和に最も貢献しているか。
• RQ4 入力価格の上昇や耕作地の放棄を含む緩和の経済的コストは、政策オプションごとにどのように変化するか。また、農家収益および食料価格に与える影響は何か。
• RQ5 特に他の手法と組み合わせた場合に、湿地復元が個別戦略を上回ってN浸出低減に優れている程度はどの程度か。

主な発見

• 湿地復元のみで、ミシシッピ川流域全体でN浸出が15–43％削減された。特にタイル排水が強い地域で最も高い削減効果が得られた。
• 1トンのN浸出に対して1ドルの浸出化肥料税を課すと、総N浸出は8.8％削減され、肥料使用量は5.7％減少した。平均で肥料コストは28.9％上昇した。
• 分次施肥による窒素利用効率の向上は、過剰施肥の低減に起因し、浸出を9.9％削減した。同時に、作物出力もわずかに増加した。
• 制御排水はN浸出を12％削減したが、排水が悪い土壌では設置の可能性が限られ、その影響は限定的だった。
• 湿地復元、改善されたN利用効率、および浸出化肥料税の組み合わせ（A+B+D）により、N負荷は30–53％削減され、45％の目標に近づいた。
• 最も効果的な政策の組み合わせでも、トウモロコシおよび大豆価格は3％未満にしか上昇しなかった。これは、顕著な環境的成果を得ながらも、経済的負担が小さいことを示している。