岩手大学博士（農学）原著論文
Christian Nkurunziza, Jean Yves Dukuzumuremyi, Shuirong Tang, Margi Asih Maimunah, Samuel Munyaka Kimani, Shigeto Sudo, Keitaro Tawaraya, KenIchi Horiguchi, Yupeng Wu, Weiguo Cheng. 2025. Changes in carbon and nitrogen contents and greenhouse gas emissions during the vermicomposting of rice straw amended with Azolla. Soil Science and Plant Nutrition 71 (3), 323–332doctoral thesi

NKURUNZIZA, Christian

English

Iwate University Repository

 氏 名 ﾝｸﾙﾝｼﾞｻﾞ  ｸﾘｽﾁｬﾝ NKURUNZIZA CHRISTIAN 本籍（国籍） ルワンダ共和国 学 位 の 種 類 博士（農学） 学 位 記 番 号 連研第 891 号 学位授与年月日 令和７年９月２５日 学位授与の要件 学位規則第５条第１項該当課程博士 研究科及び専攻 連合農学研究科 生物生産科学専攻 学位論文題目 Vermicomposting of high C/N residues from C3 and C4 plants and             their agronomic effectiveness on organic rice farming                       (C₃および C₄植物由来の高 C/N 比残渣のミミズ堆肥化と有機稲作への応用効果) 学位審査委員 主査 山形大学教授   程 為国  副査 山形大学教授   俵谷 圭太郎 副査 岩手大学准教授  立石 貴浩 副査 弘前大学教授   松山 信彦  論 文 の 内 容 の 要 旨   In many Sub-Saharan African countries, including Rwanda, smallholder farmers face economic and logistical barriers to accessing chemical fertilizers, leading to low input use and limited agricultural productivity. While organic fertilizers from crop residues and livestock manure are commonly used, their effectiveness is constrained by poor quality, inconsistent availability, and limited processing techniques. High C/N residues like rice straw and Miscanthus sacchariflorus decompose slowly, reducing nitrogen availability in compost. This study aims to enhance composting efficiency and nutrient recovery from such residues by co-composting with nitrogen-rich substrates and the incorporation of earthworm, drawing insights from Japan’s organic waste management practices to promote sustainable rice farming in Rwanda.    First, to assess the effect of adding low C/N Azolla to high C/N rice straw (RS), two composting trials were performed. Experiment 1 used a 3:1 RS and Azolla ratio; Experiment 2 used a 9:1 ratio. Both showed improved composting dynamics with Azolla amended. Total carbon amounts decreased more in Azolla amended treatments, and total nitrogen contents increased by 116.0% and 38.9% in Experiments 1 and 2, respectively. Consequently, the C/N ratio was reduced from 35.70 to 15.20 in Exp. 1, and from 30.80 to 17.77 in Exp. 2.    Second, to evaluate the effect of combining Azolla and earthworms on changes in C and N and greenhouse gas emissions from rice straw composing. Four treatments  RS only (RS);  RS with earthworm (RSE);  RS amended with Azolla (RSA); and  RSA with earthworm were carried out. The results revealed that Azolla-amended treatments (RSA and RSAE) significantly increased N₂O and CH₄ emissions (P < 0.001) but reduced CO2 emissions. Compost quality improved, with TN increasing by up to 69% and total phosphorus by 29%, likely due to enhanced microbial activity stimulated by Azolla.   Third, to extend the analysis of RS composting to outdoor conditions, focusing on C, N and K changes. While C and N trends were similar to indoor composting, potassium showed significant losses outdoors, dropping from 0.62% to 0.11%, likely due to leaching from rainfall. Whereas indoor compost showed a potassium increase from 0.62% to 1.57%, possibly due to biomass concentration.    Fourth, in the same batch of experiments as highlighted in the second section above, we evaluated composting Miscanthus sacchariflorus (high C/N C4 plant) with clover (Trifolium repens, low C/N) and earthworms. Four treatments as:  Miscanthus sacchariflorus only (M),  M with earthworm (ME),  M amended with clover (MCl, at a 9:1 ratio of M to Cl), and  MCl with earthworm (MClE) were set in the experiment.  The results showed that compost production was highest in M (79.4%), and lowest in MClE (56.0%). Clover-amended treatments significantly increased total nitrogen by 2.28-fold, likely due to nitrogen enrichment and stimulated microbial activity.      Finally, a pot experiment was conducted to evaluated the agronomic effects of composts produced Experiment 2 with 4 kinds of composts (RSAE, RSA, RSE, RS) in comparison with a control (CK). Grain yields were 23.45, 22.68, 22.88, 20.71, and 17.12 g pot⁻¹ for RSAE, RSA, RSE, RS and CK, respectively.   Aboveground biomass also peaked under RSAE. While yield components (e.g., spikelets per panicle, 1000-grain weight) showed no significant differences, RSAE modestly increased panicle number. Total nitrogen uptake was greatest in RSA (up to 419.64 mg pot⁻¹), with the ear receiving the largest share (up to 211.18 mg). These findings demonstrate that co-composting high C/N residues with low C/N materials and biological agents like earthworms significantly improves compost quality, enhances nutrient cycling, increases crop productivity, thereby supporting the advancement of organic rice farming.  日本語要旨  サブサハラ・アフリカの多くの国々、特にルワンダでは、小規模農家が経済面で化学肥料を購入することが困難であり、その結果、投入資材の使用が少なく、農業生産性が制限されている。一方、作物残渣や家畜糞尿に由来する有機肥料は広く利用されているが、その効果は、品質の低さ、不安定な供給、生成技術の未発達といった問題により制約されている。稲わらやススキ（Miscanthus sacchariflorus）のような C/N 比の高い残渣は分解が遅く、窒素含有量が低いため、堆肥としての利用価値が低い。本研究は、C/N 比の高い残渣に窒素に富む有機質基材を混合し、さらにミミズを加えて共堆肥化することで、堆肥化の効率と養分の回収率を高めることを目的としている。また、日本における有機廃棄物管理の手法を参考にし、それをルワンダにおける持続可能な稲作の推進に活用することを目指している。  第１に、C/N 比の高い稲わら（RS）に C/N 比の低いアゾラを加える効果を評価するため、2つの堆肥化試験を実施した。試験 1 では RS とアゾラを 3:1 の割合で、試験 2 では 9:1 の割合で混合した。その結果、アゾラを添加した処理では堆肥化の進行が改善され、アゾラを加えない処理と比べて、全炭素量は多く減少し、全窒素量はそれぞれ試験 1 で 116.0%、試験 2 で38.9%増加した。それにより、C/N 比は試験 1では 35.70 から 15.20 に、試験 2では 30.80 から17.77 に低下した。 第２に、稲わら堆肥化におけるアゾラとミミズを併用した場合は、堆肥化過程の炭素・窒素の変化および温室効果ガスの排出量への影響を評価した。処理区は以下の 4 区とした：① RSのみ（RS）、② RS＋ミミズ（RSE）、③ RS＋アゾラ（RSA）、④ RSA＋ミミズ（RSAE）。その結果、アゾラを添加した処理（RSAおよび RSAE）では N₂Oと CH₄の排出量が有意に増加し、CO₂の排出量は有意に減少した。また、処理後の堆肥の品質も向上し、全窒素は最大 69%、全リンは29%増加した。これはアゾラの添加とミミズの導入によって微生物活性が促進されたと考えられる。 第３に、屋外条件における稲わらの堆肥化に伴う炭素・窒素・カリウムの変動を調査した。炭素および窒素の動態は室内実験と類似していたが、カリウム含有量は屋外条件下で顕著に減少し、堆肥化前の 0.62%から堆肥化後には 0.11%まで低下した。これは、降雨による溶脱の影響と考えられる。一方、室内条件ではバイオマスの濃縮により、カリウム含有量は 0.62%から1.57%へと増加した。  第４に、第２節の稲わら堆肥化におけるアゾラとミミズを併用した実験と同様の設定で、C/N比の高い C₄植物であるススキ（Miscanthus sacchariflorus）を、C/N比の低いクローバー（Trifolium repens）およびミミズと共に堆肥化した。処理区は以下の 4 区とした：① ススキのみ（M）、② M＋ミミズ（ME）、③ M＋クローバー（MCl、M と Cl の比率は 9:1）、④ MCl＋ミミズ（MClE）。その結果、堆肥化率は M で最も高く（79.4%）、MClE で最も低かった（56.0%）。クローバーを加えた処理では、窒素含有量が 2.28 倍に有意に増加し、これはクローバー窒素供給と微生物活性の促進によるものと考えられる。  第５に、第 2 節の実験で得られた 4 種類の堆肥（RSAE、RSA、RSE、RS）を用いて、対照区（CK）と比較し、それらの稲作の有機栽培実験を行い、農業への応用効果を評価した。その結果、穀粒収量は、RSAE、RSA、RSE、RS、CK の順に、それぞれ 23.45、22.68、22.88、20.71、および 17.12 g/pot であった。地上部のバイオマス量も RSAE 区で最大となった。収量構成要素（例：穂あたりの籾数、千粒重）には有意差は見られなかったが、RSAE では穂数がわずかに増加した。窒素の総吸収量は RSA 区で最も高く（最大 419.64 mg/pot）、そのうちの大部分（最大 211.18 mg）は穂に蓄積された。 以上の結果は、C/N 比の高い残渣を C/N 比の低い有機物およびミミズのような生物的資材と共に堆肥化することにより、堆肥の品質が大きく改善され、養分循環が促進され、作物の生産性が向上することを示しており、ひいては有機稲作の発展に資する可能性がある。   論 文 審 査 の 結 果 の 要 旨  本研究では、稲わらやススキ（Miscanthus sacchariflorus）のような C/N 比の高い残渣に窒素に富む有機質基材を混合し、さらにミミズを加えて共堆肥化することで、堆肥化の効率と養分の回収率を高めることを目的としている。  第１に、C/N 比の高い稲わら（RS）に C/N 比の低いアゾラを加える効果を評価するため、2つの堆肥化試験を実施した。試験 1では RSとアゾラを 3:1 の割合で、試験 2では 9:1 の割合で混合した。その結果、アゾラを添加した処理では堆肥化の進行が改善され、アゾラを加えない処理と比べて、全炭素量は多く減少し、全窒素量はそれぞれ試験 1 で 116.0%、試験 2 で38.9%増加した。 第２に、稲わら堆肥化におけるアゾラとミミズを併用した場合は、堆肥化過程の炭素・窒素の変化および温室効果ガスの排出量への影響を評価した。処理区は以下の 4 区とした：① RS のみ（RS）、② RS＋ミミズ（RSE）、③ RS＋アゾラ（RSA）、④ RSA＋ミミズ（RSAE）。その結果、アゾラを添加した処理（RSAおよび RSAE）では N₂Oと CH₄の排出量が有意に増加し、CO₂の排出量は有意に減少した。また、処理後の堆肥の品質も向上し、全窒素は最大 69%、全リンは 29%増加した。これはアゾラの添加とミミズの導入によって微生物活性が促進されたと考えられる。 第３に、屋外条件における稲わらの堆肥化に伴う炭素・窒素・カリウムの変動を調査した。炭素および窒素の動態は室内実験と類似していたが、カリウム含有量は屋外条件下で顕著に減少し、堆肥化前の 0.62%から堆肥化後には 0.11%まで低下した。これは、降雨による溶脱の影響と考えられる。一方、室内条件ではバイオマスの濃縮により、カリウム含有量は 0.62%から1.57%へと増加した。 第４に、第２節の稲わら堆肥化におけるアゾラとミミズを併用した実験と同様の設定で、C/N 比の高い C₄植物であるススキを、C/N 比の低いクローバー（Trifolium repens）およびミミズと共に堆肥化した。処理区は以下の 4 区とした：① ススキのみ（M）、② M＋ミミズ（ME）、③ M＋クローバー（MCl、M と Cl の比率は 9:1）、④ MCl＋ミミズ（MClE）。その結果、堆肥化率は M で最も高く（79.4%）、MClE で最も低かった（56.0%）。クローバーを加えた処理では、窒素含有量が 2.28 倍に有意に増加し、これはクローバー窒素供給と微生物活性の促進によるものと考えられる。 第５に、第 2 節の実験で得られた 4 種類の堆肥（RSAE、RSA、RSE、RS）を用いて、対照区（CK）と比較し、それらの稲作の有機栽培実験を行い、農業への応用効果を評価した。その結果、穀粒収量は、RSAE、RSA、RSE、RS、CK の順に、それぞれ 23.45、22.68、22.88、20.71、および 17.12 g/pot であった。地上部のバイオマス量も RSAE 区で最大となった。 以上の結果は、C/N 比の高い残渣であっても、C/N 比の低い有機物やミミズのような生物的資材と組み合わせて堆肥化することにより、堆肥の品質が大きく改善されることを示している。これにより、土壌中での養分循環が促進され、作物の生産性が向上し、結果として有機稲作の発展に貢献できることを示唆された。 以上より、本審査委員会は、「岩手大学大学院連合農学研究科博士学位論文審査基準」に則り審査した結果、本論文を博士（農学）の学位論文として十分価値のあるものと認めた。   学位論文の基礎となる学術論文 Christian Nkurunziza, Jean Yves Dukuzumuremyi, Shuirong Tang, Margi Asih Maimunah, Samuel Munyaka Kimani, Shigeto Sudo, Keitaro Tawaraya, KenIchi Horiguchi, Yupeng Wu, Weiguo Cheng. 2025. Changes in carbon and nitrogen contents and greenhouse gas emissions during the vermicomposting of rice straw amended with Azolla. Soil Science and Plant Nutrition 71, 323–332.  https://doi.org/10.1080/00380768.2025.2490651 

C₃およびC₄植物由来の高C/N比残渣のミミズ堆肥化と有機稲作への応用効果

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C₃およびC₄植物由来の高C/N比残渣のミミズ堆肥化と有機稲作への応用効果

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