温室での効率的な灌漑のための土壌水センサーの利用

Using soil water sensors for efficient irrigation in greenhouses

マーク・ファン・イェルセル&ステファニー・バーネット

 

ジョージア大学

手作業による灌漑は労働集約的で繰り返しが多いため、自動化すべき温室作業の筆頭に挙げられる。灌漑の自動化は簡単だが、自動化されたシステムは必ずしも水効率が良いとは限らない。多くの生産者は、灌漑を制御するためにタイマーを使用していますが、タイマーは、温度、光、および湿度レベルの自然変動によって引き起こされる植物の水使用の日々の変化を考慮していません。さらに、植物が成長するにつれて、植物の水使用量は増加する。このため、タイマーを使って効率的な灌漑を行うのは難しい。北米の多くの地域で水資源への負担が増加していることを考えると、温室産業はより効率的な灌漑システムに移行する必要がある。

土壌水センサーは、植物の必要性に応じて温室の灌漑を自動化するための有望な新機軸を提供する。我々は、EC-5 プローブを広範囲に使用してきた。このプローブは、4インチのポットに収まるほど小型であり、このプローブが無土壌基盤の体積含水率を正確に測定することを発見した。私たちは、EC-5 プローブを自動灌漑システムに組み込み、植物の実際の水使用量に基づいた灌漑を可能にしました。

センサーが植物に乾燥ストレスを与えないようにする

灌漑を制御するために土壌水センサーを使用する基本的な考え方は単純である。植物が水を使用するとき、基質から水を取り込むので、基質の含水量は減少する。土壌水分センサーはこのような変化を検知し、基質の水分含有量がユーザーが決めた設定値以下に低下したときに灌漑バルブを開くために使用することができる。その結果、少量の水を頻繁に散布することになり、灌漑の頻度は、基質の水分減少速度に基づいて自動的に調整される。この灌漑アプローチは、植物が使用したり蒸発によって失われたりした水を自動的に補い、植物が乾燥ストレスにさらされることがないようにする。植物が実際に必要とする量の水を灌漑することで、水の使用と浸出を大幅に減らすことができる。これにより、高価なリサイクル灌漑システムや、流出水を捕捉するための大きな池を使用することなく、汚染を最小限に抑えることができる。

本当に効果があるのか?

この灌漑方法をテストし、ペチュニアの生育に必要な水量を調べるため、5~40%の水量でペチュニアを栽培した。灌漑は、EC-5 のプローブを基質に設置し、データロガーに接続して制御した。苗を移植してから最初の9日間は、植物が定着するように、すべての基盤に十分な水を与えた。その後、灌漑システムは20日間、基質の含水率(5~40%)を維持し、植物を収穫した。

私たちの灌漑システムは、試験全体を通して非常にうまく機能した(図1)。特定のコンテナ内の基質水分が灌漑設定点まで乾くと、自動灌漑システムはそのトレイへの灌漑を開始した。基質の含水量は通常、設定値よりわずかに高い程度に保たれていた。

灌漑の基質水設定値を高くすると、灌漑回数が多くなった。灌水量は基質の水位が高くなるにつれて増加したが、どの処理区でも浸出はみられなかった。最も大きな株でも、実験の最後の 20 日間は 650 mL(約 21 fl. oz)しか水を与えられなかった。最も水使用量が多かった処理区の1日の水使用量は、植物が小さかったときはわずか15~20 mL/株/日(大さじ1杯強!)であったが、実験終了時には45 mL/株/日(大さじ3杯)となった。

図1.実験期間中の基盤の含水率。灌漑は、EC-5 プローブを用いて制御され、基質の含水率が灌漑設定点以下に低下するたびに、少量の水が自動的に基質に加えられた。セットポイントは5~40%の範囲で、8種類の処理が行われた。

植物の生長は基質含水率の増加とともに増加したが、25、30、35、40%の処理区間ではほとんど差がなかった(図2左、3)。植物の成長は、植物が受けた水の量と高い相関があったことから(図2右)、基質の含水率に基づいて灌漑を制御することは、急速に伸長する植物の成長を制御するための実現可能な方法であると考えられる。

A graph showing the effect of the substrate water content (left) and the total irrigation volume (right) on the dry weight of petunias. Controlling irrigation by controlling the substrate water content proved to be an effective way to control plant growth
図2.ペチュニアの乾燥重量に及ぼす基質水分量(左)と灌漑総量(右)の影響。基質の含水量をコントロールすることによって灌漑を制御することは、植物の成長を制御する効果的な方法であることが証明された。

生産者はこれをどのように利用できるのか?

いくつかのブランドの温室制御システムは、EC-5 プローブを測定することができ、これらの測定値に基づいて灌漑を自動化するために使用することができる。生産者は、使用している制御システムのメーカーに、これらのプローブを測定できるかどうかを確認する必要がある。スタンドアローンのコントローラを希望する生産者には、ブラウワー・エレクトロニクス・ラボラトリーズ社(ノースカロライナ州ピッツボロ)と共同で、基質の水分含有量が生産者が決定した設定ポイント以下に低下したときに植物に灌水できるコントローラを開発した。このコントローラでは、灌水時間や、その後の灌水間隔の最小期間を設定することもできる。

灌漑を土壌水プローブに切り替える準備ができていない生産者は、EC-5 プローブとメター社のハンドヘルドメーターまたはデータロガーを使用することで、植物の水需要に関する貴重な情報を得ることができる。ハンドヘルド・メーターを使えば、生産者はポットの一部にセンサーを設置し、定期的に基盤の水分含有量を測定することができる。データロガーは、データをワイヤレスでコンピュータに送信することができ、グラフ表示で基質の水分量の変化をリアルタイムで監視することができる。この技術を使うことで、生産者は植物に必要な水の量をよりよく知ることができ、灌漑の決定をより適切に行うことができる。

植物の品質向上

近い将来、生産者はセンサーを使って灌漑を自動化し、植物に効率的に水を与え、植物の品質を向上させることができるようになるだろう。この技術は現在利用可能であり、その使用に関するガイドラインも作成中である。しかし、次はどうなるのだろうか?将来的には、温室内の作物の位置(例えば、冷却パッドやファンへの近さ)、栽培される植物の数、環境要因によって水の使用量がどのように変化するかをよりよく把握したいと思います。新しい5TEプローブは、基質のECと水分含有量の両方を測定できる。これにより、栽培者は灌漑と施肥の両方を同時に管理できるようになるかもしれない。

 

Marc van Ierselはジョージア大学([email protected])の花卉園芸学の教授である。詳しくは、Marc van Ierselの灌漑自動化ウェブサイトをご覧ください:www.hortphys.uga.edu/irrigationcontrol.html

ステファニー・バーネットはメイン大学花卉園芸学助教授。[email protected]

フレッド・C・グロックナー財団の研究助成に感謝する。

 

土壌水分測定の基本を学ぶ

土壌水分とは、単に土壌中の水分量を知る以上のものである。測定方法を決める前に知っておくべき基本原則を学びましょう。この20分間のウェビナーでは、以下のことを学びます:

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  • 水分量:水分量とは何か、その測定方法、そして水分量が必要な理由
  • 水分ポテンシャル:水分ポテンシャルとは何か?
  • 水分量、水ポテンシャル、あるいはその両方を測定すべきかどうか
  • 各パラメーターを測定するセンサー

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