水利論争

セントラルサンズ地域にはマスが生息するクラス1の川があり、農業用に使用される大容量井戸の増加によって、これらの川の水位が低下するのではないかと懸念する人もいます。「ヒューロン湖は2000年以降、約11フィート（約3.4メートル）水位が下がりました」とセントラルサンズ地域の住民は言います。「そして、今でも下がり続けています。2008年には、飲料水を汲み上げるために使っていた小さな井戸が枯渇し、大容量井戸のせいだと言っています」（アルジャジーラ・アメリカ）。一方、これらの井戸で灌漑された農業は州にとって非常に価値があり、農家は水循環とその中で自分たちが果たす役割を理解するのにかなりの時間を費やしてきました。彼らの水管理の目標と成果については、こちらをご覧ください。

旧研究の更新

ウィスコンシン州セントラルサンズでは、1950年代に大容量井戸による地下水灌漑が可能になるまで、灌漑農業は普及しておらず、収益性も高くありませんでした。それ以来、この比較的小規模な生態系地域には、1960年には60基しかなかった大容量井戸が、現在では2,500基以上にまで増加しています。マリカ・ノッコ氏は、これらの井戸を利用した灌漑栽培システムによる地下水涵養の可能性を研究し、灌漑用水が失われるのか、それとも地下水に戻るのかを理解しようとしています。彼女はこう言います。「これまで私たちは、1970年代に2台のライシメーターで検証されたモデルに頼ってきました。チャンプ・タナー（環境生物物理学の父の一人）が設計した重量式ライシメーターは非常に正確でしたが、私たちは複数の作物を用いたより大規模な研究を行い、経年変動を把握し、この地域の涵養に関する理解を深めることで、灌漑と地下水の管理をより適切に行いたいと考えていました。」

ノッコ氏とチームは、耕作を避けるためにセンサーを設置する必要があったため、土壌表面まで伸びる排水ゲージ PVC を延長し、耕作や植え付けなど大規模な畑仕事があるときはいつでもそれを取り外しました。こうして、ライシメーター上のエリアは、農地の残りの部分と同じ扱いを受けるようになりました。

根圏下

ノッコ氏によると、ライシメーターを根圏より下に設置するのは大きな課題だったといいます。「いくつか方法を試しましたが、最終的に、ライシメーター全体よりわずかに大きい穴を掘る18インチのオーガーを使って、すべてのライシメーターを設置することにしました。モノリスゾーンの上部まで80cmの溝を掘りました。次に、排水ゲージの分岐制御管を1.4mまで打ち込み、可能な限りモノリスを無傷のままにしました。また、土壌水分センサーを10cm、20cm、40cm、80cmの層別に設置しました。重機を使用してモノリスをゆっくりと持ち上げ、その下の土壌を掘り出して、元の場所に戻しました。その際、さまざまな土壌層をすべて記録し、できる限り嵩密度に近い状態で埋め戻しました。」

GPSでリシメーターを見つける

通常、科学者はライシメーターを圃場の端近くに埋めて見つけやすくしますが、ノッコ氏はセンターピボット灌漑のドーナツ効果（圃場の中央に多くの灌漑が行われ、端に向かうにつれて灌漑が少なくなる）によってデータに偏りが生じることを懸念していました。彼女は次のように述べています。「最初の10台のライシメーターを設置したとき、まだすべてのライシメーターを見つける方法を思いついていませんでした。これらの機器はすべて圃場の端から約15メートル離れた場所に設置し、三角測量によって耕作中に位置を特定できるようにしました。しかしその後、大学の普及科学者に出会いました。彼はRTK GPSシステムにアクセスできる人で、機器の位置を0.5インチの精度で特定できます。彼の助けと訓練のおかげで、残りのライシメーターを圃場のよりランダムな場所に設置することができました。」

意外な結論

ノッコ氏は、ET と作物の生理機能の違いだけでは、地下水の涵養で観察された変動のすべてを説明したりすることはできないと述べています。彼女のチームはライシメーターに隣接する土壌の粒径分析を行い、次のようにコメントしています。「土壌中の相対的な砂含有量が多いほど、より多くの涵養が見られると考えていましたが、実際には逆の結果でした。粒径分析から、潜在的涵養量と砂含有量の間には負の線形相関関係があることが明らかになりました。ライシメーター内のシルトが多いほど、涵養量が多いのです。私が今興味を持っているのは、フラックスの収束により、シルトの多い場所でより多くの涵養量が見られるかどうかです。圧力トランスデューサーから時系列データを取得して、砂の多い地域では潜在的涵養量が少なかったが、排水が速かった可能性があるかどうかを確認しようとしています。先行する土壌水分量と粒径の間には相関関係が見られました（作物の種類による相関関係はありません）。つまり、雨が降るとシルトの多い土壌の方がより多くの水を保持しているようにも見えます。」

次はどうする？

ノッコは最終的に、現場で得られた地下水涵養量と温暖化係数の推定値を用いて、過去60年間の気候および土地利用の変化に対する水文学的反応をシミュレーションする動的な農業生態系モデル「Agro-IBIS」のパラメータ化と検証を行う予定です。その後、ノッコはウィスコンシン州セントラルサンズ地域の関係者と水エネルギー収支および水量／気候シミュレーションを共有することになっています。

をご覧ください。 G3 lysimeterSC-1 ポロメーターとメーター土壌水分センサー。