燃料発電による大気汚染がインドの農作物生産性に与える影響に関する研究

学術的背景

インドは世界最大の農業生産国の一であり、同時に最も深刻な大気汚染国の一つでもあります。石炭火力発電はインドの電力供給の主要な源泉ですが、その過程で発生する大気汚染物質、特に窒素酸化物（NO₂）が農作物の生産性に著しい影響を及ぼしています。大気汚染が人間の健康に与える影響は広く研究されていますが、農作物の生産性に対する定量的な影響はまだ十分に評価されていません。この論文では、石炭火力発電によるNO₂排出がインドの米と小麦の生産性に与える影響を量化し、その汚染が食糧安全保障や経済発展にどのように影響を与えるかを探ります。

インドの食糧安全保障と電力供給は密接に関連しています。人口増加と経済発展に伴い、インドは食糧生産の増加と電力供給の拡大のバランスを見つける必要があります。しかし、石炭火力発電による大気汚染は農作物の収量に悪影響を及ぼす可能性があり、インドの食糧生産能力を弱める可能性があります。したがって、この研究はインド国内だけでなく、世界的な食糧安全保障にも重要な意味を持っています。

論文の出所

この研究はKirat Singh、David B. Lobell、およびInês M. L. Azevedoによって共同で行われ、研究チームはスタンフォード大学の多学科環境リソース研究プログラムに所属しています。論文は2025年2月3日に『アメリカ国家科学院紀要』（PNAS）に掲載されました。

研究フロー

1. データ収集と統合

研究チームは以下のデータソースを統合しました： - 衛星観測データ：TROPOMIセンサーからの毎日のNO₂対流圏垂直柱濃度（TVCD）データ。 - 発電データ：インド中央電力局の毎日の発電時間シリーズ。 - 植生データ：MODISセンサーから取得した毎日の近赤外線反射率（NIRv）データ、作物成長状況を評価するために使用。 - 気象データ：ERA5-Land再解析データセットからの風向き、温度、降水量データ。 - 耕地面積データ：欧州宇宙機関（ESA）WorldCoverデータセットからの耕地面積データ。

これらのデータは1キロメートルの空間解像度で統一され、2018年から2022年までの期間をカバーしています。

2. 回帰モデルの構築

研究チームは、石炭火力発電がNO₂濃度に与える影響を推定するための回帰モデルを構築しました。モデルの主な手順は以下の通りです： - 風向き分類：風を北、北東、東、南東など8つの方向に分け、各方向での発電量を計算。 - 距離分類：発電所が耕地に与える影響範囲を10個の距離カテゴリー（0-10km、10-20km、…、90-100km）に分割。 - 固定効果制御：点固定効果と季節-州固定効果を使用して、時間と空間上の不変因子を制御。

3. NO₂濃度と作物生産性の関連性

研究は以前に発表されたNO₂濃度と作物生産性の関係係数を使用し、それを推定されたNO₂濃度変化に適用して、石炭火力発電が作物収量に与える影響を量化しました。具体的な手順は以下の通りです： - NO₂濃度変化の推定：回帰モデルに基づいて、各耕地点における石炭火力発電によるNO₂濃度変化を推定。 - 作物生産性損失の推定：NO₂濃度変化とNIRvの関係を使用して、作物収量の潜在的な損失を推定。

4. データ分析と結果

研究チームはブートストラップ法（bootstrap）を使用して不確実性を量化し、95%の予測区間を計算しました。データ分析の主要な結果は以下の通りです： - NO₂濃度変化：石炭火力発電がNO₂濃度に与える影響は100km範囲内で顕著であり、特に上風方向の耕地に影響が大きい。 - 作物収量損失：一部の地域では、米と小麦の年間収量損失が10%以上に達しており、これは2011年から2020年の間にインドの平均年間収量増加の6倍に相当します。 - 経済的損失：収量損失を経済的損失に換算すると、石炭火力発電による年間経済的損失は数億ドルに達することが示されました。

主要な結果

1. NO₂濃度変化

研究によると、石炭火力発電がNO₂濃度に与える影響は100km範囲内で顕著です。特に上風方向の耕地が最も大きく影響を受け、30km範囲内での影響が最も明確です。この影響は特に冬期（小麦の生育期）に顕著です。

2. 作物収量損失

研究は、一部の地域での米と小麦の年間収量損失が10%を超えることを推定しました。例えば、インドの西ベンガル州、マディヤプラデーシュ州、ウッタルプラデーシュ州では、石炭火力発電によるNO₂排出により作物収量が著しく減少しています。これらの損失はインドの食糧安全保障にとって重大な脅威となっています。

3. 経済的損失

収量損失を経済的損失に換算すると、石炭火力発電による年間経済的損失は数億ドルに達することが示されました。2019年には、米と小麦の経済的損失はそれぞれ4.2億ドルと4億ドルでした。

4. 健康と作物損失の比較

研究はまた、石炭火力発電が健康と作物損失に与える影響を比較しました。作物損失の総額は健康損失の総額よりも少ないものの、単位発電量あたりの作物損失の寄与度は健康損失の寄与度よりも高いことが示されました。ある発電所では、作物損失の強度が健康損失の強度を上回ることもあります。

結論

この研究は初めて、石炭火力発電によるNO₂排出がインドの米と小麦の生産性に与える影響を量化しました。研究は、石炭火力発電が人間の健康に与える脅威だけでなく、インドの食糧安全保障に著しい負の影響を及ぼすことを示しています。研究結果はインド政府が排出削減政策を制定する際の科学的根拠を提供し、石炭火力発電の削減に当たって農業への影響を考慮することの重要性を強調しています。

研究のハイライト

1. 定量的評価：研究は初めて、石炭火力発電が農作物収量に与える具体的な影響を量化し、関連分野の研究空白を埋めました。
2. 多源データ統合：研究は衛星観測、発電データ、気象データ、耕地面積データを統合し、多源データが環境研究において持つ強力な応用を示しました。
3. 政策指導意義：研究結果はインドを含む他の発展途上国のエネルギー政策と農業政策の制定に重要な指導的意義を持っています。

その他の価値

研究はさらに研究の方向性も提案しています： - 非石炭排出源の影響：将来の研究では、交通や工業などの他のNO₂排出源が作物収量に与える影響をさらに評価できます。 - 季節特異的な排出削減戦略：研究は、作物生育期に焦点を当てた排出削減戦略がより大きな社会的利益をもたらす可能性があることを指摘しています。

この研究はインドに科学的根拠を提供するだけでなく、同様の問題に直面している他の国々にとっても貴重な経験を提供します。