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灌漑管理-なぜ正しく行うことは思ったより簡単なのか？

数年前、ブライアン・ホプキンス博士とニール・ハンセン博士という二人の科学者から、ブリガム・ヤング大学（BYU）の公認スポーツ・フィールド・マネージャーと彼らの芝草研究・教育プログラムと協力して栽培しているスポーツ芝草について、灌漑管理の電話がかかってきました。彼らは、灌漑コントローラーの故障などの困難な状況を通して、パフォーマンスを最適化したいと考えていました。私たちは一緒になって、根域の水を集中的に調査し始めました。

時間をかけて灌漑とパフォーマンスのデータを収集するにつれ、私たちは「土壌水ポテンシャル」の測定など、芝草やその他の作物の灌漑管理に欠かせない新たなベストプラクティスを発見しました。土壌水ポテンシャルセンサーを従来の土壌水分センサーと組み合わせることで、芝草のパフォーマンスを高く維持するために必要な労力を削減し、同時に水コストを節約し、病気の可能性や通気不良を減らすことができました。また、過湿による根域からの溶出ロスを最小限に抑えることで、施肥コストも削減した。

土壌水分主導の灌漑管理で、あらゆる作物の収量、品質、利益を向上させる

この記事では、芝草とジャガイモを使って、水ポテンシャルセンサーと含水量センサーのデータを組み合わせる方法を紹介しますが、これらのベストプラクティスは、灌漑科学者、農学者、作物コンサルタント、屋外栽培者、または温室栽培者が栽培するあらゆる種類の作物に適用されます。あるアイダホのジャガイモ栽培農家は、水位センサーを含水量センサーに追加することで、水の使用量を38％削減した。これにより、ジャガイモ100ポンドあたりの水コスト（ポンプ費用）が削減され、1年間で13,000ドルの節約になった。 しかし、それが一番の利点でもない。収穫量は8％増加し、品質も向上した。通常見られる腐敗はほとんどなくなった。

土壌水分ポテンシャルとは何か？

簡単に言えば、土壌水ポテンシャルとは、土壌中の水のエネルギー状態を示す尺度である。土壌水ポテンシャルには複雑な科学的定義があるが、土壌水ポテンシャルを効果的に利用するために、土壌水ポテンシャルが何であるかを理解する必要はない。人間の体温計が人間の快適さ（と健康）を示すように、土壌水ポテンシャルは「植物の快適さ」を示す一種の植物温度計だと考えてほしい。灌漑の最適化という観点から、土壌水ポテンシャルの概念を説明する例えを挙げよう。

午後のそり遊びの後、2人の子供たちが凍った小屋にとぼとぼと戻ってきた。二人は暖を取り、乾かすために火を起こそうと急いだ。彼らは快適に過ごせるように丸太を追加し続けたが、すぐに小屋は蒸し暑くなった。涼しくなろうと火を絶やすと、すぐに震え上がった。小屋の中で暖かく快適に過ごすために必要な丸太の「量」についての根本的な理解が欠けていたのは明らかだ。

1800年代後半、ウォーレン・S・ジョンソンというウィスコンシン大学の教授にも同じような問題があった。学生たちが快適に過ごせるように、階下の炉に石炭を追加する用務員を探すのは、不正確で時間のかかる作業だった。彼は、それぞれの石炭にどれだけの熱量が含まれているか、部屋の大きさ、すでに存在する熱量を計算しようとしたかもしれない。しかしその代わりに、彼はサーモスタットと呼ばれる簡単な装置を発明した。この発明は、温度と地下にあるベルを使って、部屋が快適さを保つ最適な温度範囲より下がったら、石炭を追加するよう用務員に知らせるものだった。このサーモスタットは、現在も存在するジョンソンコントロールズ社の主要製品となった。

植物の成長のために土壌の水を管理することは、これらの話と類似点が多い。灌漑用水を管理する際、植物が苦しんでいることに気づき、再び快適な状態に戻すために水を足すことがよくある。問題は、山小屋の少年たちと同じように、上限がどこにあるのか、あるいは「どの程度」の水で十分なのかを知らないために、水を足しすぎてしまうことだ。そしてまた土をカラカラに乾燥させる。このサイクルが何度も繰り返される。また、茶色の斑点を恐れるあまり、土壌を飽和状態に近づけてしまうケースもある。多くの灌漑業者は、土壌水分センサーを設置すればこの問題が解決すると考えているが、それは間違いである。この方法は、火に丸太を追加するのと同じような問題がある。

水分センサーでわかるのは、土の中の水の「量」だけである。その量が植物にとって最適かどうかはわからない。土壌水ポテンシャルセンサーは、その情報を教えてくれる。水ポテンシャルでは、温度と同様に、土壌中の水のエネルギー、つまり植物が利用できる土壌水の量を示すパラメータを測定する。

土壌の水分ポテンシャルを理解するのは意外と簡単

温度については誰もがよく知っている。私たちは決断を下すために常に温度をチェックしているが、その際、システムのエネルギー状態としての複雑な定義について考えることはほとんどない。私たちは単に、温度が私たちの快適さにとって何を意味するかを知っているだけなのだ。単位（度）が熱力学の第三法則とどのように結びついているのか知らなくても、私たちはその単位（度）を理解している。

土壌水ポテンシャルは植物のストレス指標

私たちはジャガイモ生産者と灌漑管理の最適化に取り組むことが多いので、ジャガイモの灌漑データでこの点を説明しますが、同じ原則が芝草や他の作物にも当てはまります。図2は、40ヘクタールの圃場における6箇所のジャガイモの収量を示している。ジャガイモの株がストレス領域（-100 kPa以下）に長くとどまるほど、収量の損失が大きくなることは明らかである。

この考え方は、すべての植物に当てはまります。もちろん、芝草の目標は、（収穫量を上げることではなく）見栄えのする、安定した競技場であることは言うまでもありませんが、コンセプトは同じです。芝草のコンフォートゾーン内で水を管理することは、根域の水と空気を適切なバランスで供給することになり、結果として植物をより健康にします。また、病害を最小限に抑え、栄養分を保つことができます。そして、水を節約し、プレー面の質を向上させます。他の作物についても同じことが言える。植物を最適なゾーン内に保つことは、植物をより健康にし、品質と収量の向上を意味する。淡水の状況が厳しい今日、これらは保全に役立つ強力なツールである。

土壌水ポテンシャルの測定は難しい？

歴史的に土壌水ポテンシャルの測定が困難であったため、土壌水ポテンシャルを灌漑管理に利用することに抵抗を感じる人もいる。しかし、これはもはや真実ではない。長年にわたって、土壌水ポテンシャルを測定するための多くの装置が作られたが、一般に、不正確さ、再現性の低さ、期待はずれの寿命といった衰弱した問題に悩まされてきた。しかし、多くのテクノロジーと同様、進歩はこれらの問題の多くを克服してきた。私たちはこれらの次世代センサーを芝草やその他の作物に設置し、多くのことを学んできました。

土壌水ポテンシャルだけで灌漑をコントロールできるのか？

すべての植物は、土壌水ポテンシャルとそのパフォーマンスや行動との間に強い関係がある。土壌の水分ポテンシャルを測定して、灌漑をコントロールするのはどうだろう？サーモスタットの温度を設定するときにも同じことをする。暖房や冷房にどれだけのエネルギーが必要かはわからないが、温度のしきい値を設定することで、快適に過ごせることがわかる。土の中でも同じことができるのですか？はい、単純に、水位を快適な範囲の一番上まで戻すのに十分な時間、水をオンにすることができます。

しかし、いくつかの潜在的な問題があります。第一に、センサーが灌水が必要だと判断した正確な時間に灌水したくない場合がある（プレーの最中や蒸発条件が高い時など）。第二に、土壌によっては、散水してから水位が "快適な状態 "に戻るまでにタイムラグが生じることがある。このため、最適な灌漑管理を行うには、水ポテンシャルに加えて含水量も測定する必要がある。

なぜ水分量だけでは灌漑のタイミングがわからないのか？

土壌中の水分量を測定することは容易であるため、多くの人が灌漑のスケジュールを立てるためにこの方法を用いているが、それは時として暗礁に乗り上げることもある。その理由を知るために、現場で収集されたデータを見てみよう。グラフが複雑に見えても心配しないでください。何が重要なのかを説明します。

通常のスプリンクラー灌漑を行った場合の土壌水分量の推移を図5に示す。夏の間、含水率がわずか3％しか低下していないことから、この土壌で栽培された植物はストレスを受けていないと結論づけることができるかもしれない。含水率の高さ（ほぼ30％以上）を見れば、この結論を正当化できるかもしれない。しかし、覚えておいてほしいのは、暖をとるのに必要な丸太の本数がわからないのと同じように、植物が快適に過ごすために必要な水の「量」は、もっと詳しい情報がなければわからないということだ。

図6の土壌水分ポテンシャルを見てください。これは同じ場所での測定結果である！いくつかの地点では、夏の大部分にわたってストレスの範囲にとどまっている。この具体的なケースでは、マネージャーは問題に気づいておらず、（現場を見ることなく）センサーに問題があるのではないかとさえ示唆していた。私たちは現場を訪れ、センサーが正しいことを確認した。彼は現在、土壌水ポテンシャルセンサーを多数設置しており、灌漑管理を最適化するために、他のどんな測定よりも先にセンサーを信頼している。

土壌の水ポテンシャルとは、土壌が水をどれだけ強く保持しているかを示す指標である。水ポテンシャル（または張力）が強すぎると、植物が水を利用できなくなる。図6でストレス状態を見るのは簡単だが、含水量（図5）では明らかではない。

精密灌漑管理のための含水量と土壌水ポテンシャルの組み合わせ方

最後の例の経営者は、結局は灌漑管理のために水ポテンシャルを利用しただけだったが、重い土壌を扱う余裕もあった。別の例を見てみよう。ASTM仕様（F2396 - 11）の砂ベースのスポーツフィールドで栽培された高性能芝草の根域とその下にセンサーを設置しました。これにより、カレンダーベースの灌漑とセンサー制御の灌漑を比較することができました。

すなわち、標準的なカレンダーベースの灌漑、一定の乾燥期間（土壌水ポテンシャルに基づく）、そして最後に極端な乾燥期間である。次の3つの図では、各試験の詳細なデータを示す。

この芝草の根域は約15cmだったので、6cmと15cmにそれぞれ含水量センサーと張力センサーを設置し、25cmには1つの含水量センサーを設置して、根の先に流れて無駄になった水を確認した。

満点 "を決めるには水分量を使う

図8のデータを見直すと、カレンダー灌漑が過剰灌漑を招いていることがわかった。

土壌の水ポテンシャルは0kPa付近で止まっていた（そう、コンフォートゾーンを超えても問題は起こらない）。また、灌漑のたびに根域（25cm）より下の含水率が跳ね上がった。明らかに、ダイヤルバックが必要だった。私たちの目標は、張力を最適な範囲（-20～-100kPa）にし、25cmの含水量をフラットに保つことでした。

センサーの出力を注意深く観察しながら、乾燥期間固定レジームで見られるような最適な灌漑に向かっていった。図9は、7月20日に土壌の水ポテンシャルを植物にとって最適な範囲に戻すのに十分な量の灌水を行ったことを示している。従って、根域より下で水が失われることはなかった。6cmと15cmの根が毎日水を取り込んでいるのが、含水率で確認できる。灌水して張力を快適な範囲に戻し、25cmの含水量を増加させなかったとき、それが最適な高水準だったのです。私たちは6cmの含水量センサーを使って、灌漑の満点を知らせました。この土壌では、含水率が約15％であることがわかる。

土壌の水分ポテンシャルを利用して「空」点を決定する。

逆に、私たちの "空 "ポイントは土壌の水分ポテンシャルを使って決定された。9月には、植物が水を吸い上げなくなるまで水を下げ続けた。

図10では、25cmの水分が動いていない。9月5日の6cmレベルでは、芝草は水を取り込まなくなる（日降下がない）。土壌水ポテンシャルが高すぎるため、植物は土壌から水を取り込むことができないのである。そして、水の取り込みが止まったとき、それが曇天のせいでないと仮定すると（そうではなかったが）、土壌水ポテンシャルの最高レベル、つまり芝が休眠に入る「空」ポイントであることがわかる（-500kPa）。この範囲には決して近づきたくない。植物を-20～-100kPaの快適な範囲に保ちたい。最適な範囲より下がってきたら、水やりの時期だと判断する。

最適な灌漑レジームを決定する方法

この2つの測定値を組み合わせると、強力なことが起こった（図11）。土壌中の水分量（含水量）と土壌の水ポテンシャルを組み合わせることで、ウォーターエンベロープ（空の状態から満水になるまでに必要な水の量、つまりこの芝草に散水すべき最大水量）を計算することができたのだ。

図11は、土壌に散布すべき水の最大量を示すために、満杯のバケツを使ってこの概念を示している。それ以上は「バケツのてっぺん」を越えてしまい、肥料などと一緒に無駄になってしまう。空のバケツ（この点には近づきたくない）は、図10の-500kPaの張力に対応する土壌含水量で、植物はこれ以上水を得ることができない。水の包絡線は、（含水率の差）*（根の深さ）、またはこの場合（16％-8％）* 0.15 m = 12 mmの灌漑水となる。

12mmという水量は、芝草に与えるべき最大水量だろう。しかし、最適なパフォーマンスを発揮するためには、-100kPaまでしか低下させたくない。この土壌の場合、VWC（体積含水率）は約12％、またはVWCを4％変化させ、6mmの水を灌水することになる。つまり、単に快適な範囲を見るだけでなく、最適な範囲の下から上へ移動させるために必要な水の量をダイヤルアップすることができるのだ。

灌漑管理の簡素化

灌漑管理のために含水量とともに水ポテンシャルを測定することは、時間と費用の節約につながります。 なぜか？正しい情報が得られるからだ。山小屋の例えに戻ると、薪の本数を知るだけでは、山小屋で快適に過ごせるかどうかはわからない。それと同じように、土壌の水分量や含水率を知るだけでは、土壌が植物の生育に最適な水分量にあるかどうかはわからない。土壌の水ポテンシャルと土壌の含水量を組み合わせることで、最適なパフォーマンスを発揮するための正確な満水点と空点がわかる。水ポテンシャルが作物のコンフォートゾーンや最適な範囲外に下がると、水を追加する必要があることがわかる。そして、どの程度の水を加えればよいかが正確にわかる。この2つの測定値を組み合わせることで、過剰灌漑による問題で時間とコストを失うことなく、水と養分の管理を完璧に行うことができる強力なツールとなる。

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