ウレアーゼと尿素の分解の仕組みと肥料の効率の対策

ウレアーゼと尿素

ウレアーゼによる尿素の分解の仕組みと化学的反応

 

農業現場において最も安価で窒素含有率が高い肥料として親しまれている「尿素」ですが、その肥効メカニズムを正しく理解している生産者は意外と少ないのが現状です。尿素はそのままの形では植物の根に吸収されにくいという特性を持っています。ここで重要な鍵を握るのが、土壌中に無数に存在する酵素「ウレアーゼ」です。ウレアーゼは、尿素という有機態窒素を植物が利用可能な無機態窒素（アンモニア態窒素）へと変換する「加水分解」というプロセスを触媒する役割を果たしています。この化学反応は非常に迅速に行われるため、施肥後の数日間が肥料効率を決定づける勝負の期間となります。

 

具体的に、土壌中でどのような化学反応が起きているのかを深掘りしてみましょう。尿素（(NH₂)₂CO）が土壌に施用されると、土壌中の水分に溶け出し、そこでウレアーゼと出会います。ウレアーゼは触媒として働き、尿素と水を反応させて「炭酸アンモニウム」という不安定な中間物質を作り出します。この炭酸アンモニウムはさらに分解が進み、最終的にアンモニア（NH₃）と二酸化炭素（CO₂）になります。

 

• 反応式： (NH₂)₂CO + H₂O + ウレアーゼ → (NH₄)₂CO₃ → 2NH₃ + CO₂

このプロセスは自然界の窒素循環において不可欠なものですが、農業生産という観点からは「諸刃の剣」となります。なぜなら、この反応によって生成されたアンモニアが、土壌粒子に吸着されて「アンモニウムイオン（NH₄⁺）」として植物に利用されるか、あるいはガスとして大気中に逃げてしまうかの分岐点が、まさにこの瞬間に訪れるからです。ウレアーゼはこの反応速度を、酵素がない場合の約10の14乗倍という天文学的な速さにまで加速させます。つまり、ウレアーゼの活性をコントロールすることこそが、尿素肥料を使いこなすための第一歩なのです。

 

また、ウレアーゼは特定の微生物だけが持っているものではありません。細菌、真菌（カビ）、放線菌といった多種多様な土壌微生物が分泌するほか、植物の根や葉、そして前作の作物残渣（枯れた葉や茎）にも大量に含まれています。土壌1グラム中には数億個の微生物が存在すると言われており、これらが絶えずウレアーゼを生産し続けています。したがって、どのような圃場であっても、尿素を施用すれば即座に分解反応がスタートすると考えるべきです。「いつ肥料を撒くか」「雨の前に撒くか、後に撒くか」という判断は、このウレアーゼによる分解のスイッチをいつ入れるかという判断と同義なのです。

 

明教商事株式会社：農業からのアンモニア排出量の削減
上記のリンクでは、ウレアーゼによる尿素の分解と、それに伴うpHの変化、およびアンモニア揮散のメカニズムについて図解付きで詳細に解説されています。

 

ウレアーゼと尿素のアンモニア揮散による損失リスク

尿素肥料を使用する上で最大のリスク要因となるのが「アンモニア揮散」です。これは、ウレアーゼによって分解・生成されたアンモニアが、ガス体となって空気中へ放出されてしまう現象を指します。農業経営の視点から見れば、購入した肥料成分が作物に吸収されることなく空へ消えていくことは、直接的なコストの損失を意味します。研究データによると、不適切な条件下で尿素を表面施用した場合、施用した窒素成分の最大40％〜70％が大気中に揮散して失われる可能性があると報告されています。

 

なぜ、これほど大きな損失が発生するのでしょうか。その原因は、ウレアーゼによる加水分解反応の過程で起こる「局所的なpHの上昇」にあります。尿素が分解されてアンモニアが発生すると、その周囲の土壌pHは急激にアルカリ性へと傾きます。肥料粒の周辺ではpHが9以上に達することもあります。化学的な平衡の法則により、アルカリ性条件下では、水に溶けた「アンモニウムイオン（NH₄⁺）」よりも、ガス状の「アンモニア（NH₃）」の割合が増加します。土壌水分に溶けきれなくなったアンモニアはガスとなり、土壌表面から大気中へと拡散してしまうのです。

 

このリスクは、以下のような特定の環境下で特に高まります。

 

• 地表面への散布： 土壌内部に混和せず、表面にパラパラと撒くだけの場合、発生したアンモニアガスを土壌粒子が捕捉（吸着）できず、ダイレクトに大気へ放出されます。
• 乾燥条件： 土壌が乾燥していると、アンモニアを溶かす水が不足し、ガス化が促進されます。また、ウレアーゼ反応に必要な最低限の水分さえあれば反応は進むため、「乾いた土に撒いて放置」は最も危険なパターンです。
• 風通しの良さ： 施設栽培や風の強い露地畑では、地表面付近のアンモニアガスが常に吹き飛ばされるため、濃度勾配によって地中からのガス放出がさらに加速されます。
• アルカリ性土壌： 元々の土壌pHが高い（石灰質土壌など）場合、揮散のリスクは倍増します。

アンモニア揮散は単なる肥料の無駄遣いにとどまりません。揮散した高濃度のアンモニアガスは、近隣の作物に接触すると葉焼けや枯死を引き起こす「ガス障害」の原因となります。特にビニールハウスなどの閉鎖環境では、換気不足と相まって致命的な被害をもたらすことがあります。また、環境問題の視点からも、大気中に放出されたアンモニアはPM2.5の生成原因物質の一つとされており、環境負荷低減の観点からも対策が求められています。

 

徳島県：トンネル・ハウス栽培における尿素のガス障害事例
この資料では、実際に尿素の表面施用によって発生したアンモニアガスが作物を枯死させた事例と、その発生メカニズム、湿度条件による揮散量の違いが具体的に報告されています。

 

ウレアーゼ阻害剤を活用した尿素肥料の効率向上

前述のようなアンモニア揮散のリスクを劇的に低減し、尿素肥料のポテンシャルを最大限に引き出すための技術的な切り札が「ウレアーゼ阻害剤」です。これは、その名の通りウレアーゼの酵素活性を一時的にブロック（阻害）する機能を持った化学物質です。代表的な成分としてNBPT（N-(n-ブチル)チオリン酸トリアミド）などが知られており、海外の大規模農業ではすでに標準的に使用されていますが、日本国内でもその有用性が再注目されています。

 

ウレアーゼ阻害剤の最大のメリットは、「時間の猶予」を作り出せる点にあります。通常、尿素を散布すると直後から猛烈な勢いで加水分解が始まりますが、阻害剤入りの尿素を使用することで、この分解開始を1週間〜2週間程度遅らせることが可能になります。この「時間の猶予」が農業現場でどのような恩恵をもたらすか、具体的なシナリオで考えてみましょう。

 

1. 降雨待ちの柔軟性：

   通常、尿素は散布直後に雨が降るか、灌水をして土壌中に溶かし込む必要があります。しかし、天候は思い通りになりません。阻害剤を使用していれば、散布後に数日間雨が降らなくても、ウレアーゼによる分解が抑えられているため、アンモニア揮散によるロスを最小限に食い止めることができます。次のまとまった雨や灌水のタイミングまで、肥料成分を「待機」させておけるのです。

    

2. 追肥の省力化：

   作物の生育期間中に追肥を行う際、土寄せや中耕といった土壌混和作業が困難なケースがあります（例えば、密植された小麦や牧草地など）。このような場面で、地表面に散布するだけでも、阻害剤の働きによりガス化を防ぎつつ、ゆっくりと土壌に浸透させることが可能になります。

    

3. 初期生育の安定：

   急激なアンモニア発生は、発芽直後の幼根にダメージを与える「肥料焼け」の原因となります。阻害剤によって分解速度をマイルドにすることで、根圏のアンモニア濃度スパイクを抑制し、安全に肥料を効かせることができます。

    

ウレアーゼ阻害剤の効果は、単に損失を防ぐだけではありません。窒素がゆっくりと効き始めることで、作物の窒素吸収パターンと供給パターンが同調しやすくなり、結果として収量の増加や品質の向上（タンパク質含有量の増加など）にも寄与します。ただし、阻害剤はあくまで「時間稼ぎ」のためのツールであり、永久に分解を止めるわけではありません。最終的には土壌中で分解され、尿素は通常のプロセスを経て肥効を発揮します。この「制御された遅効性」こそが、現代農業に求められる精密な施肥管理を実現する鍵となるのです。

 

BSI生物科学研究所：生物的安定性肥料とウレアーゼ抑制材
ウレアーゼ阻害剤（NBPTなど）の具体的な化学的特性や、硝化抑制剤との違い、土壌中での挙動について専門的な視点で解説されている資料です。

 

ウレアーゼ活性を変動させる土壌環境と温度の影響

ウレアーゼの働きは一定ではなく、土壌の環境条件によって大きく変動します。この変動要因を把握し、自圃場のコンディションに合わせた施肥設計を行うことが、プロの農業従事者に求められるスキルです。特に影響力が大きいのが「温度」と「土壌条件」です。

 

まず温度についてですが、ウレアーゼは酵素であるため、温度依存性が非常に高いという特徴があります。一般的に、温度が10℃上昇すると化学反応の速度は約2倍になると言われていますが、ウレアーゼによる尿素分解も例外ではありません。

 

• 低温時（10℃以下）： ウレアーゼの活性は低下します。冬場の麦作や早春の追肥では、尿素を撒いてから効き始めるまでに時間がかかります。これは揮散リスクが低いというメリットでもありますが、即効性を期待する場合は硝酸態窒素を含む肥料を選ぶなどの工夫が必要です。
• 適温時（20℃〜30℃）： 活性が最も高まり、分解がスムーズに進みます。作物の生育も旺盛な時期ですが、同時に揮散リスクも最大化します。
• 高温時（30℃以上）： 夏場の高温期には、ウレアーゼ活性が極めて高くなります。朝に撒いた尿素が夕方にはすでにガス化している可能性さえあります。さらに、高温はウレアーゼ阻害剤自体の分解も早めてしまうため、阻害剤の効果持続期間が短くなることにも注意が必要です。

次に土壌条件です。ここでもいくつかのパラメーターが複雑に関与しています。

 

• CEC（塩基置換容量）： CECが高い、つまり保肥力が高い粘土質の土壌や腐植に富んだ黒ボク土などでは、分解によって生じたアンモニウムイオンが土壌粒子にしっかりと吸着されます。これにより、ガス化する割合が減少し、揮散リスクは比較的低くなります。逆に、砂質土壌のようなCECが低い土壌では、アンモニアを保持する力が弱いため、揮散によるロスが激しくなります。砂地での栽培で尿素の効果が実感しにくいのはこのためです。
• 土壌pH： 前述の通り、アルカリ土壌では揮散が加速します。石灰資材を施用した直後に尿素を撒くのは避けるべきです。石灰によって土壌pHが一時的に上昇している状態で尿素が入ると、最悪の組み合わせとなり、激しいガス発生を招きます。少なくとも石灰施用から1週間〜10日程度の間隔を空けることが推奨されます。
• 水分含量： 適度な水分はウレアーゼの移動と尿素の拡散を助けますが、乾燥と湿潤を繰り返すような環境では、水分蒸発と共にアンモニアガスが連れ去られる「共沸」のような現象が起きやすくなります。

これらの条件を総合すると、「夏場の高温乾燥が続く砂質土壌の畑」が、尿素施用にとって最も難易度が高い環境であると言えます。このような条件下では、通常よりも深めに混和する、灌水とセットで行う、あるいはウレアーゼ阻害剤入りの肥料を選択するといった対策が必須となります。

 

農研機構：温度補正を加えたアンモニア発生係数
温度がアンモニア揮散率に与える影響について、数値モデルを用いた研究結果が示されており、季節や気温に応じたリスク管理の参考になります。

 

ウレアーゼと尿素の反応を加速させる作物残渣の盲点

最後に、多くの生産者が見落としがちでありながら、近年の農業スタイルにおいて極めて重要な「独自視点」のトピックについて解説します。それは、「作物残渣（ざんさ）」そのものが持つ強力なウレアーゼ活性についてです。

 

近年、土壌保全や省力化の観点から、不耕起栽培や最小耕起（ミニマム・ティレッジ）、あるいはカバークロップ（被覆作物）の残渣を地表に残す栽培体系が増えています。土壌有機物を増やす素晴らしい取り組みですが、尿素肥料の効率という点では、ここに大きな落とし穴があります。実は、枯れた植物の茎葉や根、刈り取った雑草などの有機物残渣は、それ自体がウレアーゼの塊（かたまり）のような存在なのです。

 

植物体に含まれるウレアーゼは、植物が枯死した後も長期間にわたって活性を維持します。さらに、残渣は微生物の絶好の住処となるため、残渣周辺は土壌中よりもはるかに高い微生物密度となり、微生物由来のウレアーゼ濃度も跳ね上がります。つまり、地表面に残渣が厚く堆積している「マルチング状態」の畑は、一面に「ウレアーゼの層」が敷き詰められているようなものなのです。

 

この状態で、上から尿素をパラパラと散布するとどうなるでしょうか。

 

1. 尿素の粒が残渣の上に落ちる。
2. 残渣上の水分で尿素が溶ける。
3. 残渣に含まれる濃厚なウレアーゼと即座に接触・反応する。
4. 土壌粒子（アンモニアを吸着してくれるクッション）に触れる前に、残渣の上で急速に分解される。
5. 吸着相手のいないアンモニアは、そのまま大気中へ揮散する。

この「残渣上の分解（コンタクト・ハイドロリシス）」による肥料損失は非常に深刻です。データによっては、裸地（土が露出した状態）に比べて、残渣がある状態での表面散布は揮散ロスが2倍〜3倍に達することもあります。「環境に優しい農法をしているはずなのに、なぜか肥料が効かない」という悩みの一因はここにあります。

 

対策としての残渣管理と施肥技術：
この問題を解決するためには、以下のいずれかのアプローチが必要です。

 

• 残渣の下に施肥する： 施肥機を使って、残渣の層を切り、土壌内部（深さ5cm以上）に尿素を筋施肥します。これにより、土壌粒子によるアンモニア吸着効果を享受できます。
• 強めの散水を行う： 散布直後に10mm以上の十分な灌水を行い、残渣上の尿素を洗い流して土壌内部へ浸透させます。少量の水では逆にウレアーゼ反応を活性化させるだけになるので、量は重要です。
• ウレアーゼ阻害剤の必須化： 残渣が多い圃場で表面散布を行わざるを得ない場合、ウレアーゼ阻害剤入り尿素の使用は「選択肢」ではなく「必須条件」と考えるべきです。阻害剤は、この高活性な残渣環境下での分解ラッシュを抑え込むための唯一の化学的防壁となります。

農業の現場では「土作り」と「施肥」は別々に考えられがちですが、ウレアーゼという酵素の視点を通すと、これらが密接にリンクしていることが分かります。残渣を残すなら、肥料の撒き方を変えなければなりません。自然の摂理である酵素反応を正しく理解し、目に見えないミクロな世界での攻防を制することこそが、肥料コストを削減し、持続可能な高収益農業を実現するための近道なのです。

 

 

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