CO2（二酸化炭素）濃度の増大というと、その悪影響ばかりがクローズアップされることが多いが、良い影響もある。CO2は植物の生長にとって必須の原料であるため、その濃度が上昇すると光合成速度が増加し、植物の生育が進む。この「CO2施肥（施用）効果」を農作物の栽培に取り入れる技術はすでに確立しており、農業を中心とした産学官の連携が進めば、大規模な産業になりうる。また、CO2濃度が上昇している自然環境では、世界各地の農場の生産の生産性と植物被覆の面積が既に増加しているともいわれている。これらのCO2の濃度上昇による便益を最大限追求するためには、CO2削減に特化した要素技術の開発ではなく、農作物を中心としたIT・エネルギー・プラント関係などの既往の幅広い技術の統合が必要である。
CCUとCO2施肥効果
最近、火力発電所等から排ガス中のCO2を分離・回収し、有効利用または地下へ貯留する技術（CCUS：Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage）が注目を集めている。中でも、石油代替燃料や化学原料などの有価物を生産する資源化するCO2の有効利用技術（CCU：Carbon Capture and Utilization: CCU）は、CO2の貯留技術（CCS：Carbon dioxide Capture and Storage）に比べてCO2の処理能力は劣るものの、有価物の製造につながる点で経済的効率が高いと期待されている（図1a）。このような背景から、藻類由来のバイオ燃料や人口光合成、環境配慮型コンクリートなどの様々なCCU技術の開発が進められているが、すぐに大規模に普及できる技術はまだ少ない。そのような中、わが国の農業生産額の4割を占める園芸産業の一分野である施設園芸ではCO2施肥効果の技術がよく知られており、CCUの市場としても有望である（図1b）。
図1 (a) CCUとCCSの経済性と処理能力の関係（経済産業省, 2015）。(b)2018年のわが国の農業総産出額の内訳（農林水産省, 2019を元に著者が作成）。
CO2施肥効果とはどのようなものか？植物は、葉に存在する小さな穴（気孔）からCO2を取り込むが、光を浴びたときにこのCO2と体内の水分を原料にして酸素と有機物（糖）を生成する（光合成）。そして、この有機物は植物体を通って輸送され生長や果実の生産に使われる。したがって、一般にCO2の濃度が上昇すると光合成の速度が増加し、果実の生産も進む（図2a）。これがCO2施肥（施用）効果である。十分な高いCO2濃度が維持されている環境では、この効果により気孔が閉じ気味になりそこからの水分の蒸発（蒸散）が減るため、植物にとって水の節約にもなる（図2a）。
図2 (a) CO2施肥効果の模式図。黒矢印：高いCO2濃度の取り込みにより糖の生成や植物の生長・糖の蓄積（果実への転流）が促進され、気孔が閉じ気味になり水の損失（蒸発）も抑えられる。(b)温室内で当時の外気CO2濃度（340 ppm）を2倍増大させた実験から得られた様々な生長量の増減率（Nederhoff, 1994)。ppm：体積割合の100万分の1。
CO2施肥効果の大きさは、様々な農作物に対して温室でのCO2濃度を人工的に上昇させた実験により古くから調べられてきた。これらの結果から、温室内のCO2濃度を340 ppm（1995年時点）から２倍に増加させると、様々な農作物に対する実験結果を平均すると生長量が20%ほど上昇することがわかっている（図2b）。ただし、温室内のCO2濃度が換気による拡散や農作物の光合成による吸収で外気よりも低下してしまうことがあり、光合成能力も大きく低下してしまう。CO2施肥効果を最大限得るためには、機密性の高い温室内でCO2濃度を経済的かつ安定的に制御する必要がある。
温室におけるCCU
上述したCO2施肥効果を積極的に利用する技術の可能性については、関係者には思いの外認識されていない。現在のところ、わが国でCO2施肥効果を行っている園芸施設は全体のわずか3%であり、その主たる地域も関東や九州に限定されている（農林水産省, 2017）。逆にいえば、費用対効果などの実施可能性を検討しつつ、この技術を普及することによって、わが国全体の農作物の生長量を大幅に向上できる余地が残っているということである。
施設園芸の現場では、大きく分けて灯油燃焼方式、LPG（液化石油ガス）燃焼方式、液化炭酸ガス方式の3種類のCO2施肥の方式が取り入れられている（全農, 2016）。例えば、「ゆめファーム全農」栃木分室ではLPG燃焼方式を利用してトマト群落内にCO2ダクトを設置して送風ファンでCO2を施肥しているが、灯油よりもランニングコストは高いが排ガスがクリーンであり、CO2の利用効率も高い。
温室におけるCCUとは、これらの方式を利用して工業由来の排ガス等から分離した大量のCO2を大規模な温室で有効利用する農業のことである。欧米では、高いCO2濃度を含むガスエンジンの排気を温室に送り込み農作物を促進させる「農業トリジェネレーション」がすでに実用化されている。トリジェネレーションは、発電事業を行う際に電力だけでなく発電時の熱およびCO2を利活用する技術である（小田ら, 2016）。世界有数の農産物輸出国となったオランダでは、温室栽培で自家発電やボイラーに含まれるCO2の積極的な利用を推進している。オランダ農業の高い国際競争力は、選択と集中（得意とする品目への集中）・技術力（施設園芸による安定・高品質・コスト低減の実現）・技術開発政策（企業化した農家育成環境の整備）・生産者のサポート体制（市場の活用）の4つを軸に経済性と品質（高品質・安定品質）を維持してきた結果であると考えられている（三輪, 2014）。特に、施設園芸への予算配分の重点化や規制緩和を進めて技術力のある大規模法人の経営を後押しした点、そして旧・農業省を経済省に統合して古くから農業を産業の1分野として取り扱い、産官学の連携を推進することで農業関連サービスを市場化したという点が重要である。
わが国でも、オランダ農業から知見を得て2013年から農林水産省がトリジェネレーションを推進しており、北海道苫小牧市の株式会社Jファーム苫小牧工場をはじめとした「次世代施設園芸拠点」が全国10ヶ所で整備されている（日本施設園芸協会, 2015）。次世代施設園芸の栽培品目としてレタスとイチゴを選定し、それらの経営の概要と事業性に関する試算も行われている（小田ら, 2016）。このような実証試験が進めば、オランダとは違い多様な食文化を持つ日本の風土に合った温室CCUのモデルケースが形成されることが期待される。
自然環境でのCO2施肥効果
ところで、CO2施肥効果は、過去CO2濃度が上昇し続けてきた自然環境でも起こっているはずである。これを利用することはできるのだろうか？高いCO2濃度が農作物に与える影響は温室や人工気象室などを利用して明らかにされてきたが（図1b）、地球規模の気候変動による農作物への影響を明らかにするためには図3aのような現実に近い環境（自然環境）での研究が必要であった。そこで誕生したのが、自然環境下で高いCO2濃度を農作物に噴霧してその生育を観察する大規模なCO2増加実験（FACE: Free-Air CO2 Enrichment）である。日本では、農研機構により1998年に雫石で寒冷地域の水田イネを対象に実験が開始され、2009年以降はより温暖な地域として茨城県つくばみらいでも実施された（http://www.naro.affrc.go.jp/archive/niaes/outline/face/）。世界各地で行われたFACEでの結果に基づいて、生育期間中のCO2濃度を約400 ppmから約600 ppmまで上昇させた場合の生長量の増加率は小麦・大麦・大豆・テンサイで10〜20%、馬鈴薯やワタは30%を超えることが報告されている（図3b）。わが国のFACE実験でもイネの収量が14%程度増大することが確認されたが、この効果は品種や地域によって3〜36%まで変化する（長谷川, 2013）。
図3(a)植物工場、温室、そしてFACEが対象とする農場の環境制御の難易度。(b)世界各国のFACE実験の結果。養分を十分に与えた条件で、生育期間中の平均CO2濃度を400 ppmから600ppmに上昇させたときの農作物の生長量の増加率（Nösberger et al., 2006）。
過去のCO2施肥効果による陸上植物への恩恵はどの程度だったのだろうか？様々な要因が影響する自然環境でこれを解明することは簡単ではないが、例えば、農作物の収量は、1960年代以降の高収量品種の導入や化学肥料の大量投入などによる「緑の革命（農業革命）」によってもたらされたが、その裏で起こっていた気候変動による収量の減少のかなりの部分は、CO2施肥効果により相殺されたという報告がある（Lobell et al., 2011）。また、1982年から2015年にかけて世界の陸上で植物被覆の指標である葉面積がCO2施肥効果により増大しており、同時に植物の水分損失も抑えられたことで（図2a）、水の少ない乾燥地域の要面積は10%も増大していた可能性がある（Zhu et al., 2016）。これらの結果は不確実性も多く含んでいるので、自然環境でのCO2施肥効果に関するさらなる研究が必要である。しかし、事実だとすれば、CCUの概念は植物工場や施設園芸に代表される閉鎖空間での利用にとどまらず、農場のような開放空間に対しても適用できるということである（図3a）。これまでなりゆきで行なってきた自然環境下での農業をCCUとして意識づけることにより、農業生産性の向上とそれに伴う農地のCO2の発生抑制を同時に推進できる。生産性が向上すれば、農業に必要な土地の開拓などの人為的な圧力も下がるので、地球の植物被覆の面積の増大にも資することができる。
必要なのは既往の幅広い技術の統合化だ
これまで述べた農業におけるCCUを推進する上で重要なことは、要素技術を新たに開発することではなく、既往の要素技術を統合することである。CCUを巡る政策立案においては、このことを十分理解する必要がある。
例えば、温室CO2施肥の要素技術はすでに確立されているが、先に述べたように国内での普及は十分とはいえない。この理由を明確に述べた論文等は見当たらないが、著者の周りの施設園芸農業の専門家に意見を聞くと「農家自身がCO2施肥の効果が実感できていない可能性がある」という答えであった。通常、最適な光合成を得る上でハウス内の空気中のCO2濃度は十分ではないことが多いので、CO2施肥は収量増加の最も基本的な手段だと思われがちである。しかし、この効果を最大限に得るためには葉の気孔（図1a）が開いていなければならず、そのためには光・気温・湿度・気流や時間帯（気孔は日中しか開かない）の最適化や、CO2から生成された糖分の果実への転流を促すための気温制御が欠かせない（フーヴェリンク・キールケルス2019）。つまり、農業CCUの主役はCO2削減ではなく、植物（農作物）なのである（図4）。農業CCUとは、農作物を中心に据えたIT・エネルギー・プラント関係などの幅広い技術統合の実践的な場であり、そのためにも民間企業・公的機関・大学等の役割分担を明確にした上での連携（日本施設園芸協会, 2017）が必要不可欠である。
図4 (a) CO2有効利用の技術の農業分野への応用と(b)農業におけるCCU推進のための農作物を中心に据えた技術の統合の違い。
あらゆる要素技術を利用することは、環境制御がほぼ不可能に近い自然環境（図3a）でのCO2濃度上昇への適応策を検討する上も重要である。これを進めるためには、まず、屋外で生長量を最適化するためのさらなる研究が必要である。CO2濃度の上昇に対して光合成効率が高い農作物の品種はFACE実験により探索できるので、地域ごとに適切な農作物を見出して食料の生産効率を増加させることができる。また、高いCO2濃度や少ない水供給に対応するための品種改良も重要であり、これによってCO2施肥効果を最大化できる品種を明らかにできる。さらには、近年進展が著しい遺伝子工学による技術を利用することで、高CO2および高温環境に適した遺伝子組換え農作物を開発できる可能性がある。FACE実験では、高いCO2濃度によってコメの品質は低下するという報告もあり（Zhu et al., 2018）、高い品質を維持できる農作物の開発は必要不可欠である。施設園芸でも高い収量と高い品質（糖度など）はトレードオフ関係になることがあるため（日本施設園芸協会2015）、両者のバランスを取るための方策を見出すことも忘れてはならない。
参考文献
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経済産業省（2015）CO2回収、利用に関する今後の技術開発の課題と方向性
全農（2016）施設園芸における二酸化炭素施用の有効性, グリーンレポート, 568, 16-17.
日本施設園芸協会（2015）次世代日本の施設園芸 さらなる飛躍に向けて, 30 pp.
日本施設園芸協会（2017）平成28年度次世代施設園芸地域展開促進事業（全国推進事業）さらなる多収・高品質・安定生産を目指した「環境制御のための植物生理」研究成果を社会実装に, 12 pp.
農林水産省（2017）園芸用施設及び農業用廃プラスチックに関する実態
農林水産省（2019）生産農業所得統計 平成30年農業総産出額及び生産農業所得（全国）
長谷川利拡（2013）高CO2濃度によるコメの増収効果は高温条件で低下, 農環研ニュース, 99, 3-5.
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Lobell, D.B., Schlenker, W.S., Costa-Roberts, J. (2011) Climate trends and global crop production since 1980, Science, 333, 616–620.
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フーヴェリンク・キールケルス（2019）オランダ最新研究 環境制御のための植物生理、農山漁村文化協会、221 pp.