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灌漑管理 - 正しく行うことが思ったより簡単である理由

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、灌漑管理に関する相談を受けました。彼らはブリガムヤング大学（BYU）の認定スポーツフィールドマネージャーと共同で、スポーツ用芝草を栽培しており、BYUの芝草研究・教育プログラムにも携わっていました。彼らは、灌漑コントローラーの故障など、様々な困難な状況下でも芝草の生育を最適化したいと考えていました。そこで私たちは協力し、根圏の水分状態を徹底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集めるうちに、私たちは「土壌水ポテンシャル（土壌吸引力）」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。私たちは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しました。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ました。

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％削減しました。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ドルの節約になりました。 しかし、それが一番の利点ではありません。収穫量が8％増加し、品質も向上したのです。また、通常見られる腐敗はほとんどなくなりました。

土壌水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す。土壌水ポテンシャルには複雑な科学的定義がありますが、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ありません。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みましょう。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てみます。

午後のそり遊びを終え、二人の子供たちは氷で覆われた小屋へと重い足取りで戻ってきた。彼らは暖を取り、体を乾かすために、急いで火をおこした。快適に過ごせるようにと、薪をどんどんくべたが、すぐに小屋はうだるような暑さに。そこで二人は涼もうと火を消したが、すぐに寒さで震え始めた。明らかに、小屋を暖かく快適に過ごすために必要な薪の「量」についての根本的な理解が欠けていたのだ。

1800年代後半、ウィスコンシン州のウォーレン・S・ジョンソン教授も同様の問題を抱えていた。学生たちの快適な環境を保つため、階下の炉に石炭を補充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。石炭1つ1つの熱量、部屋の大きさ、そして既存の熱量を計算することもできた。しかし、彼は代わりにサーモスタットと呼ばれるシンプルな装置を発明した。この発明は、地下室の温度とベルを利用して、部屋が快適な温度範囲を下回った場合に用務員に石炭を補充するよう警告するものだった。サーモスタットは、現在も存続するジョンソンコントロールズ社の主力製品となっている。

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、火に薪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。

土壌の水ポテンシャルを理解するのは意外と簡単

温度は誰もが馴染みがあります。私たちは常に温度をチェックして意思決定を行っていますが、その際に、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ありません。単に、それ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です。単位（度）は理解していても、それが熱力学の第三法則とどのように結びついているかは知りません。

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ます。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す。

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、安定した競技環境の提供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ます。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実現します。淡水の供給状況が厳しい今日、これらは保全に役立つ強力なツールと言えましょう。

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ます。しかし、これはもはや真実ではありません。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ましたが、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根本的な問題に悩まされてきました。しかし、多くのテクノロジーと同様、科学の進歩はこれらの問題の多くを克服してきました。私たちは、開発された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？

すべての植物において、土壌の水ポテンシャルと生育や行動の間には強い相関関係があります。灌漑を制御するために土壌の水ポテンシャルを測定してみてはいかがでしょうか？ サーモスタットの温度設定でも同じことが言えます。サーモスタットの温度は、暖房や冷房にどれだけのエネルギーが必要かを示してくれるわけではありませんが、温度の閾値を設定することで、快適な温度になるかどうかが分かります。土壌でも同じことができるでしょうか？ はい、水ポテンシャルが快適な範囲の上限まで戻るまで、十分に長く水を流すだけで済みます。これは一般的に行われています。

しかし、いくつか潜在的な問題があります。まず、センサーが灌水の必要性を判定したまさにそのタイミングで灌水を行う必要があるとは限りません（試合中や蒸発量が多いときなど）。次に、土壌によっては、水を与えてから水ポテンシャルが「快適」な状態に戻るまでに時間がかかる場合があります。そのため、どのくらいの量の水を使っているかを把握することで、適切な灌水量を判断するのに役立ちます。そのため、最適な灌水管理を行うには、水分ポテンシャルに加えて水分含有量を測定する必要があります。

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？

土壌中の水分含有量は測定しやすいため、多くの人が灌漑計画の策定に活用していますが、実際には把握しきれないこともあります。その理由を理解するために、圃場で収集されたデータを見てみましょう。グラフが複雑に見えても心配はいりません。何に注目すべきか、詳しく説明します。

図5に示す、通常のスプリンクラー灌漑下における土壌水分量の推移を考えてみましょう。夏の間を通して水分量はわずか3%しか低下しないため、土壌で育つ植物はストレスを受けていないと結論付けるかもしれません。水分量の高さ（ほぼ30%以上）を見れば、この結論を正当化できるかもしれません。しかし、暖かく過ごすのに何本の薪が必要かわからないのと同じように、植物が快適に過ごすのに「どれだけの」水が必要かは、より多くの情報がなければわからないことを忘れないでください。

図6の土壌水ポテンシャルをご覧ください。これらは同じ場所での測定値です。一部の場所では、夏の大半の間、ストレス範囲内に留まっています。このケースでは、管理者は問題に気づいておらず、（現場を見ずに）センサーに問題があるのではないかと示唆さえしていました。私たちは現場を訪問し、センサーの測定値に問題がないことを確認しました。現在、管理者は複数の土壌水ポテンシャルセンサーを設置しており、灌漑管理を最適化するために、他のどの測定値よりもこれらのセンサーを信頼しています。

土壌水ポテンシャルは、土壌がどれだけ水をしっかりと保持しているかを示す指標です。水ポテンシャル（または張力）が強すぎると、植物は水を利用できなくなります。図6ではストレス状態が容易に確認できますが、水分含量（図5）ではそれがはっきりとわかりません。

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

前の例では、管理者は最終的に水ポテンシャルを灌漑管理に利用しましたが、重質土壌を耕作するという贅沢な条件も整っていました。別の例を見てみましょう。ASTM規格（F2396 – 11）の砂質運動場で栽培された高性能芝の根域内および根域下にセンサーを設置しました。これにより、カレンダー制御とセンサー制御の灌漑で、それぞれどのような成果が得られているかを確認する機会が得られました。

評価は、夏全体にわたって3つの期間（図7参照）に分けました。標準的なカレンダー灌漑期間、土壌水ポテンシャルに基づく固定乾燥期間、そして極度乾燥期間です。次の3つの図は、各試験の詳細なデータを示しています。

この特定の芝生の根域は約 15 cm だったので、水分含有量センサーと張力センサーをそれぞれ 6 cm と 15 cm に設置し、根を越えて洗い流されて無駄になっている水を確認するために 25 cm に 1 つの水分含有量センサーを設置しました。

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りました。

土壌水ポテンシャルは0kPa付近で停滞していました（そうです、快適ゾーンを超えても問題を引き起こす可能性があります）。また、灌水するたびに根域（25cm）下の水分含量が急上昇しました。明らかに、水位を下げる必要がありました。目標は、張力を最適な範囲（-20～-100kPa）に保ち、25cm下の水分含量を一定に保つことでした。

センサーの出力を注意深く観察しながら、固定乾燥期間方式で見られるような最適な灌漑に向かって進みました。図 9 は、7 月 20 日に、25 cm の水分含量を急上昇させずに、土壌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だけ灌漑したことを示しています。したがって、根域より下の水分は失われていませんでした。水分含量では、これらの根による 6 cm と 15 cm での毎日の水分吸収も確認できます。灌漑して張力を快適な範囲に戻し、25 cm の水分含量が増加しなかったとき、それが最適な高レベルでした。6 cm 水分含量センサーを使用して、灌漑の完全ポイントを調べました。この特定の土壌では、水分含量が約 15% であることがわかります。

土壌の水ポテンシャルを利用して「空」点を決定する。

一方、私たちの「空」のポイントは土壌水ポテンシャルを用いて決定しました。9月には、植物が水を吸収しなくなるまで水を下げました。

図10では、25cmの水分含量に変化が見られず、これは良好な状態です。9月5日、6cmのレベルで芝草は水分の吸収を停止します（日降水なし）。土壌水ポテンシャルが高すぎるため、植物は土壌から水分を吸収できません。水分の吸収が停止した時、曇りの日ではないと仮定すると（実際には曇りではありませんでしたが）、土壌水ポテンシャルが最高レベル、つまり「空」のポイントに達し、芝草が休眠状態（-500kPa）に入ることがわかります。これは決して近づきたくない範囲です。植物を-20～-100kPaの快適な範囲に保ちたいのです。もし最適な範囲を下回ったら、散水時期だと判断できます。

最適な灌漑レジームを決定する方法

これら2つの測定値を組み合わせると、驚くべき結果が得られました（図11）。土壌中の水分量（含水率）と土壌水ポテンシャルを組み合わせることで、水エンベロープ（空の状態から満水状態になるために必要な水の量）、つまりこの芝生に施すべき最大の水量を計算することができました。

図11は、この概念を、満杯のバケツを用いて土壌に施すべき最大水量で示しています。それ以上の水はバケツの口から溢れ出し、肥料などと共に無駄になります。空のバケツ（この値に近づけたくありません）は、図10で示した-500 kPaの張力に相当する土壌水分量で、植物はこれ以上水を得られません。この時の水分量は8%です。水包は（水分量差）×（根の深さ）、つまりこの場合は（16% - 8%）×0.15 m = 12 mmの灌漑水となります。

芝草に施す水量は12mmが最大です。しかし、最適なパフォーマンスを得るには、-100kPaまで下げるだけで十分です。この特定の土壌では、体積水分含有量（VWC）が約12%、つまりVWCが4%変化し、6mmの灌水量が必要になります。つまり、快適範囲を確認するだけでなく、最適範囲の下限から上限まで水量を調整することで、必要な水量を調整できるのです。

灌漑管理の簡素化

灌漑管理のために水ポテンシャルと水分含有量を一緒に測定すると、時間と費用を節約できます。なぜでしょう？それは、正しい情報が得られるからです。小屋の例えに戻ると、薪を何本くべたかがわかるだけでは、小屋で快適に過ごせるかどうかはわかりませんでした。同様に、土壌の水の量や水分含有量がわかるだけでは、植物の成長に最適な水分状態かどうかはわかりません。土壌水ポテンシャルと土壌水分含有量を組み合わせることで、最適なパフォーマンスを実現するための正確な満水点と空水点が得られます。水ポテンシャルが作物の快適ゾーンまたは最適範囲から外れると、水を追加する必要があることがわかります。そして、追加する水の量も正確にわかります。これら 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費用を失うことなく、水分と栄養素の管理を完璧にできる強力なツールになります。

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