環境科学者と話す

温室での効率的な灌漑のための土壌水分センサー活用法

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反復的な作業であるため、温室で最初に自動化すべき作業の一つです。灌漑の自動化は容易ですが、自動化システムは必ずしも水効率が良いとは限りません。多くの栽培者はタイマーを使って灌漑を制御しますが、タイマーは温度、光、湿度の自然な変動によって引き起こされる植物の水分使用量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水分使用量も増加します。そのため、タイマーを使用して効率的な灌漑を行うことは困難です。北米の多くの地域で水資源への負担が増大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への移行を迫られています。

土壌水分センサーは、植物の必要に応じて温室灌漑を自動化する新たな可能性を提供します。私たちは、4インチポットに収まるほど小型のEC-5プローブを用いて広範囲に研究を行い、このプローブが土壌を含まない培地の体積水分含有量を正確に測定できることを発見しました。EC-5プローブを自動灌漑システムに統合することで、植物の実際の水分使用量に基づいて灌漑を行うことを可能にしました。

センサーが植物に乾燥ストレスを与えないようにする

土壌水分センサーを使用して灌漑を制御する基本的な考え方はシンプルです。植物が水を使用すると、基質から水を吸収するため、基質の水分含有量が減少します。土壌水分センサーはこれらの変化を検出し、基質の水分含有量がユーザーが決定した設定値を下回った場合に灌漑バルブを開くために使用できます。これにより、少量の水を頻繁に使用することになり、灌漑の頻度は基質の水分枯渇率に基づいて自動的に調整されます。この灌漑アプローチは、植物によって使用された水や蒸発によって失われた水を自動的に補充し、植物が干ばつストレスにさらされないことを保証します。植物が実際に必要とする量の水で灌漑することで、水の使用量と浸出を大幅に削減できます。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集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ます。

本当に効果があるのか？

この灌漑方法を試験し、ペチュニアが良好な生育に必要な水分量を明らかにするため、培地の水分量を5～40%の範囲で変化させて栽培しました。灌漑は、データロガーに接続された培地に埋め込まれたEC-5プローブによって制御されました。苗を移植後最初の9日間は、植物が根付くまですべての培地に十分な水分を与えました。その後、20日間、この灌漑システムで培地の水分量を5～40%の範囲で維持し、その後植物を収穫しました。

試験期間全体を通して、当社の灌漑システムは極めて良好なパフォーマンスを発揮しました（図1）。特定の容器内の基質水分量が灌漑設定値まで乾燥すると、自動灌漑システムが直ちにそのトレイへの灌漑を開始しました。基質水分量は概ね設定値よりわずかに高い水準に保たれました。

灌水時の基質水位設定値が高いほど、灌水頻度は増加しました。基質水位の上昇に伴い灌水量も増加しましたが、いずれの条件でも浸出は見られませんでした。実験の最後の20日間では、最も大きな植物でさえ650 mL（約21液量オンス）しか水を与えられませんでした。最も多くの水を使用した条件では、植物が小さかった頃は1株あたり15～20 mL/日（大さじ1杯強）でしたが、実験終了時には1株あたり45 mL/日（大さじ3杯）に達しました。

図1.実験期間中の基盤の土壌水分。灌漑は、EC-5 プローブを用いて制御され、基質の土壌水分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。

植物の生育は基質水分含量の増加に伴って増加しましたが、25%、30%、35%、40%の条件間では差がほとんどありませんでした（図2左、図3）。植物の生育は植物が受け取る水の量と高い相関関係にあることから（図2右）、基質水分含量に基づいて灌水量を制御することは、急速に伸長する植物の生育を制御するための有効な方法となる可能性があります。

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プローブを測定でき、これらの測定値に基づいて灌漑を自動化できます。栽培者は、お使いの制御システムがこれらのプローブを測定できるかどうか、メーカーに確認する必要があります。スタンドアロンのコントローラをご希望の栽培者向けに、Brower Electronics Laboratories（ノースカロライナ州ピッツボロ）と共同で、培地の水分含有量が栽培者が設定した設定値を下回った場合に植物に灌漑を行うコントローラを開発しました。このコントローラでは、灌漑時間や次の灌漑までの最小間隔も設定できます。

土壌水分プローブによる灌漑への切り替えにまだ踏み切れない生産者も、METER社のハンドヘルドメーターまたはデータロガーとEC-5プローブを組み合わせることで、植物の水分需要に関する貴重な情報を得ることができます。ハンドヘルドメーターを使用すれば、ポットにセンサーを設置し、培地の水分量を定期的に測定できます。データロガーはデータをワイヤレスでコンピューターに送信できるため、培地の水分量の変化をグラフ表示でリアルタイムにモニタリングできます。この技術を活用することで、生産者は植物に必要な水分量をより正確に把握し、より適切な灌漑方法の決定を下すことができます。

植物の品質向上

近い将来、栽培者はセンサーを用いて灌漑を自動化し、植物への効率的な水やりと品質向上を実現できるようになるでしょう。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策定中です。しかし、その先は何でしょうか？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の近くなど）、栽培植物の数、そして環境要因によって、水使用量がどのように変化するかをより深く理解したいと考えています。画期的な新開発として、新型5TEプローブは基質のECと水分含有量の両方を測定できます。これにより、栽培者は灌漑と施肥を同時に制御できるようになるかもしれません。

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。