貢献者

灌漑用水管理システムは、最適な収量とパフォーマンスを備えた健全な作物を育てることを目的としている。精密農業戦略を達成する方法は、測定ツールを使って、過湿とかん水の完璧なバランスを見つけることである。しかし現実には、水の使用量が増え、養分の利用可能性が低下し、雑草の圧力が高まり、労力が増えることがよくある。なぜか？それは、私たちが避けようとしている状況を知らず知らずのうちに引き起こしているからです。この記事では、水、肥料、労力、除草剤を最小限に抑えながら、こうした落とし穴を回避する方法を探っていく。まず、アンバランスな水システムの例をいくつか見てみよう。

例1 - サッカーの芝草

数年前、METERでは、水浸しになっているスポーツフィールドにセンサーを設置する機会がありました。その競技場はしばしば水たまりができ、芝生の管理を難しくしていました。芝は12インチのASTM仕様の土壌層の上にあり、大量の雨が降った後でも芝を美しく、プレーしやすく、安全に保つように設計されていました。目標は、投入資材を最適化し、侵入雑草の圧力を軽減することだった。このサッカー場では、侵入性の草であるポアが最大の問題でした。

図1と図2は、サッカー場の両端で採取されたサンプリングである。図1および図2は、サッカー場の両端から採取したサンプリングで、いずれも土壌含水率が下降していることを示しており、含水率の測定値はすべて高すぎ、特に深さ2インチ（この芝にとって根域がある場所）の含水率が高すぎました。

この土壌の間隙水の電気伝導度（_ECp）も低く、圃場の両端で土壌内の栄養不足が示唆された。調べてみると、芝草は以下のような状態であった：

• 低栄養状態- キャノピーの緑が制限された
• 過剰な水- 多年生ブルーグラスよりも一年生ブルーグラス（ポア）が好まれ、土壌構造が弱くなった。
• 根系が浅い- 必要な水を得るために根が遠くまで伸びる必要がないため。

このシナリオの解決策については、記事の後半で検討する。とりあえず、2つ目の不均衡な灌漑水管理のシナリオを見てみよう。

例2 - 屋外の大麻

次のグラフは、屋外の大麻畑における土壌水分量の測定結果である。灌漑設備は理想的なもので、温室から移植した株間は1m、各畝間は2mであった。シルトローム土壌の上に黒いビニールマルチを敷き、15cm、30cm、60cmの位置にセンサーを埋めた開放式点滴灌漑システムを設置した。その年は春と夏が暑く乾燥したため、土壌の水分が限られていたが、植え付け前に灌漑を行い、60cmのモニタリング深度まで土壌を湿らせた。周囲に設置された防護柵が、ミクロクリマ（微気候）を作り出したのかもしれない。

図3は、効果的な水管理を行おうとする場合、土壌の水分量を調べるだけでは不十分であることを示している。この土壌では、特別なことは起こっていないことがわかる。含水量はかなり均等なレベルに維持されているが、これだけでは全体像が見えない。

土壌水分が最適に思えたにもかかわらず、作物の結果はあまり芳しくなかった。この作物は、測定された条件で予想された収穫量に比べ、ほとんどバイオマスを生産しなかった。土壌で何が起きているのかを解明するため、コリン・キャンベル博士は灌漑管理システムの計算を行い、蒸発散量と比較した。灌漑システムは、1時間当たり約0.4ミリを1日2～3回繰り返していた。生産者たちは黒いビニールマルチの下を覗いてみたが、土壌は湿っているだけでなく、実際に泥状であった。しかし、それは間違いだった。その年の収量は予想よりはるかに少なかった。

良好な灌漑水管理のためのビジョン

正しい灌漑を行うには、いつ水を出し、いつ水を止めるかを知る必要がある。理論的には簡単なことだ。しかし実際には、いつ水を出し、いつ水を止めるかを計算するのは非常に複雑である。これを計算するには、3つの質問の答えを知らなければならない：

1. 作物はどれくらいの水を使うのか？
2. 現在の土壌中の水の利用可能量は？
3. 利用可能な水の総量は？

それぞれの質問に答えるために、どのようなツールが使われているかを見てみよう。

3つの質問3つの異なるツール

植物が1日に使用する水の量を知るには、蒸発散量を計算する必要があります。植物が毎日どれだけの水を失っているかを知ることで、植物がどれだけの水を摂取しなければならないかがわかる。土壌中の水分が植物の生育に最適かどうかを判断するには、土壌の水分ポテンシャルを計算する必要がある。気温が部屋の広さに関係なく人間の快適な温度範囲を示すように、水ポテンシャルは土壌の種類に関係なく、植物が土壌から引き出せる水かどうかを決定する。最後に、植物が自由に吸収できる水の量を知るには、土壌水分放出曲線を知る必要がある。この曲線は、水ポテンシャルと含水量の関係であ り、植物が利用可能な水の範囲を定義するものである。

ツールその1 - 蒸発散量

以前のキャンベル・サイエンティフィックとのウェビナーでは、蒸発散（ET）について詳しく説明しましたが、このアプリケーションの目的では、蒸発散を計算するために知っておくべきことはほんの少しです。太陽放射が入ってきて、温度と水蒸気損失という形で熱が出ていくシステムには、質量とエネルギーを交換する関係があります。これを方程式で解くことができる。

図4は、蒸発散量の計算に使用されるPenman-Monteith方程式を上部に示している。この方程式は、システム内の他のエネルギー交換を利用して、蒸発と蒸散によってどれだけの水が失われているかを決定する。残念ながら、蒸発散量を直接測定することはあまりできないので、代わりに作物係数から計算する。システムの蒸発散量を計算したら、その値を使って灌漑計画を立てることができます。

基準ETの計算

「でも、どうやって？これはよく聞かれる質問だ。"それは大きくて長い単語で、大きくて長い方程式がある。何のために必要なのですか？実際、ETを計算するのに必要なのは、日射量、風速、気温、相対湿度だけです。METERのATMOS 41や ATMOS 41Wのようなオールインワン気象観測所を現場に設置すれば、これらの指標をすべて測定することができ、蒸発散量の計算が非常に簡単になります。蒸発散量が計算されれば、システム内でどれだけの水が失われているかを理解することができ、灌漑によってどれだけの水を追加する必要があるかを知ることができます。

先ほどの屋外の大麻の例では、図6を使って、基準作物の作物係数に基づく基準ET（_ETo）の計算を理解することができる。

図6は、基準作物によって毎日どれだけの水が失われたかを示す数字である。大麻は、基準作物として用いられた高さ12cmのよく水を含んだ草ではないが、シーズンを通して成長するにつれ、実際にこの草のキャノピーを模倣した。屋外で栽培された大麻の場合、シーズン終盤の測定でさえ、圃場は大量の水不足であった。

リファレンスETの問題点

リファレンスETに頼ることの問題点は、画像の一部しか示せないことだ。これを説明する最も簡単な方法は、道路を走る車をイメージすることだ。リファレンスETは、ある方向に向かって走ることを助けてくれるが、道路の反対側を走っているのか、右側を走っているのか、溝を抜けているのか、まったくわからない。ETは一貫性を保ってくれるが、自分がどこにいるのかを本当に理解するための基準点を与えてはくれない。

このことをよりよく理解するために、スポーツ芝草の例をもう一度見てみよう。このサッカー場は在来のシルトローム土壌で、灌漑は_{ETOoによってのみ}制御されています。

図7は圃場の土壌水分量を示したもので、驚くべき一貫性を示している。灌漑担当者は毎日、土壌水分レベルを同じポイントまで戻すことに成功した。つまり、水分含有量をモニターすることで、土壌水分レベルを一定に保つことができたのである。それが正しい方向かどうかは、この情報からはわからない。グラフをよく見ると、黄色い線があるが、これは最も深いセンサーで12インチ、根の高さよりかなり下にある。その線に7月5日と7月14-16日あたりに変動がある。これは、その時期に畑の水が多すぎる可能性を示しているが、どの程度過剰なのかはわからない。

ツールその2 - 土壌水分ポテンシャル

土壌の含水量を把握することは極めて重要であるが、それだけでは全体像がつかめない。含水量に関連性を持たせるためには、土壌の水ポテンシャルも知ら なければならない。水ポテンシャルというと、最初はとっつきにくい印象を受けるかもしれない。そのため、私たちは、水ポテンシャル 101、水ポテンシャル201、水ポテンシャル301、水ポテンシャル 401を含む、このトピックに関する複数のウェビナーを開 催してきた。しかし、ウォーター・ポテンシャルを利用するために、すべての側面について深く理解する必要はありません。同じように、華氏スケールがどのように計算されるかを理解しなくても、どの温度が快適かを知ることができる。土壌の水ポテンシャルの算出は、TEROS 21 のような機器を用いて簡単に行うことができる。

土壌水分ポテンシャルの算出は、"水は利用可能か？"という問いに答えるものである。理想的には、緑豊かで健康な植物を育てるためには、土壌中の 水が最適なレベルに保たれていなければならない。水ポテンシャルとは、植物が土壌からどれだけ容易に水を引き出 すことができるかを表す、測定可能な方法である。

存在する水の量が、特定の作物にとって最適かどうかを知るにはどうすればいいのだろうか？この概念を理解するには、先に述べた温度比較が理想的である。温度は人間の快適レベルを定義するものであり、熱量を定義するものではない。熱量とは部屋の中の熱の量である。温度は部屋の中の熱のエネルギー状態である。したがって、温度はその部屋内での快適さのレベルを定義する。

土壌水ポテンシャルは、植物の快適性を定義することで、植物に同じことを行う。含水量とは、土壌中に植物が利用可能な水分がどれだけあるか を示すものである。水ポテンシャルは、植物の根域の水の「温度計」であり、土壌の種類に関係なく、土壌に存在する水を植物が利用できるかどうかを特定する。

_ETOと水ポテンシャルの組み合わせ

_ETOoと水ポテンシャルは、それぞれ土壌と植物と水の相互作用を理解するために不可欠な要素であるが、単独ではその有用性の半分しか利用できない。_ETOoと水ポテンシャルを組み合わせることで、植物に最適な水量があるかどうかを経験的に定義することができる。ドライブの例と同じように、水分量は私たちが向かっている方向を特定し、水ポテンシャルは私たちが進みたい方向かどうかを示す。

図9は、水分量と水ポテンシャルの両方の測定値をスポーツ用芝草の例に適用するとどうなるかを示している。水ポテンシャルによって定義される緑色の帯は、芝草が土壌から水を抽出できる包絡線である。水ポテンシャルのグラフに含水量の測定値を重ね合わせると、その様子が明らかになる。この圃場の水位は一定であったが、一貫して高すぎた。図にあるウェイターのように、最大水量以上の水を入れることができないカップに水を入れ続けているのだ。

水分量とポテンシャルの組み合わせの力

両測定値を一致させることの重要性をより明確にするために、さらにいくつかの例を見てみよう。私たちが水ポテンシャル・センサを使って行った最初の実験のひとつが、この重要性を示している。アイダホ州グレースのジャガイモ畑に装置を設置し、水分測定にはTEROS 11センサーを、土壌水ポテンシャル測定にはTEROS 21センサーを 使用することにした。

図10は2つのグラフを示しており、上がジャガイモ畑の含水量、下が水ポテンシャルを示している。水分含量のグラフは、シーズンを通してあまり大きな変化を示さず、何らかの問題や苦境を示していない。しかし、図10でマトリックポテンシャルと呼ばれる水ポテンシャルは、3つのセンサーで最適な範囲にとどまったが、他の3つのセンサーはストレスや永久的な萎凋の範囲に低下し始めた。

この実験中、3つのセンサーで水ポテンシャルの数値が低下したため、私たちは農家にそれらの場所に水を追加するよう伝えた。農家はそれらの場所に行き、掘り下げて水を見つけ、データかセンサーが故障しているに違いないと判断した。私たちはすべての製品で正確さを追求していますが、機器の故障が常に有効な答えになりうること、あるいは設置方法が間違っている可能性があることは認めます。しかし、それぞれの場所の収量と、それらの場所がストレス下にあると測定された日数を比較したところ、データは問題の明確な姿を描き出していた。

シーズン終了後、我々はデータをまとめ、非常に興味深い相関関係を農家に提示した。そのデータは、収量の少ない場所とストレス日数の多い場所との間に強い相関関係があることを示していた。これは農家にとって大きな「ハッ」とする瞬間だった。彼の次のステップは、すべての畑に含水量と水ポテンシャルのセンサーを設置することだった。それ以来、この農家は灌漑水管理戦略において劇的な変化を遂げ、一貫して収量が増加している。

アイダホ州レックスバーグにあるジャガイモ農場の別の例では、_ETOと水分含有量の測定値が下のグラフに示されている。

図12は、_ETOと散水イベントがかなりよく一致していることを示している。もしこれが基準作物であったなら、供給された水はかなり正確であったはずである。しかし、このジャガイモは高さ12cmの井戸水草ではないため、この散水パターンがこのシステムで最適であったかどうかはわからない。

図13は、同じ圃場の同じ時間帯の水ポテンシャル測定値を示している。1つのセンサー（緑色の線）は、その場所が水ポテンシャル・エンベロープのすぐ上で、必要以上の水を得ており、資源を浪費し、土壌から養分を洗い流している可能性があることを示している。2つ目のセンサー（オレンジ色の線）は、より低い深さにあり、エンベロープ内にあったが、それでもまだ高い方にあった。この例では、畑は必要以上に水を得ていた。生産者は、キャノピーに水が多すぎるのを見て、収量に課題があると述べている。このシステムでは、灌漑管理システムに少し手を加えるだけで、最適範囲内に収めることができ、その過程で資源を節約することができた。

ツールその3 - 水分放出曲線

前述したように、水分放出曲線は、"植物が自由に利用できる水分はどれくらいか？"という質問に答えるためのツールである。

水分放出曲線がこの質問にどのように答えるかを理解するために、道路を走る車の例を使ってみましょう。あなたの植物がシルトロームの土壌にあるとすれば、それは車線の幅が非常に広い道路のようなものです。その道路を走るとき、車線からはみ出す危険もなく、左右に蛇行することができます。小さな揺れを修正するためのエラーの余地はたくさんある。あなたの工場が砂地にある場合、道路には非常に狭い車線がある。制約が非常に容赦なく、ハンドルを少しでも傾ければ、たちまち危険な領域に入ってしまう。

水分放出曲線は、土壌中の水分量と植物が利用できる水分量を比較したものである。粘土、壌土、砂の含水量と水ポテンシャルの関係は、ご覧のように大きく異なります。例えば、このグラフが示すように、含水量0.2m3^/m3でマトリックポテンシャルが-100kPaの場合、粘土質の土壌の植物は萎凋点を超えてしまう。壌土であれば、ちょうど最適な範囲となる。植物が砂地にある場合、水と養分はそのまま土壌を通過し、土壌から流出する。

土壌が乾燥すればするほど、植物が土壌から水分を抽出することは難しくなる。水分放出曲線は、この関係を説明し、灌漑用水管理システムにおいて植物が利用可能な水の量を理解する。

数年前、我々はローム質の砂質土壌で調査を行った。調査中、作物の所有者は灌漑システムが故障したことを知らずにメモリアルデーの週末に帰省し、3日後に戻ってきたら草が枯れていた。

図15は、この土壌におけるこの植物の水ポテンシャル・エンベロープが非常に小さいことを示している。永久萎凋点（グラフの右側）と過飽和点（グラフの左側）の間には12mmの差しかなく、そこでは余分な水分は土壌から排出されるだけである。この状況では、作物は毎日6ミリの水を必要としていた。灌漑システムが3日間停止していたため、水が供給されなかった期間、作物が生きていけるだけの水をシステムが保持することはできなかった。このグラフは、3連休中に草原が枯れた理由を明確に示している。

モイスチャー・リリース・カーブの塗り方

放湿曲線をシステムに適用するには、以下の4つのステップが必要です：

1. 水ポテンシャルの上限と下限を決定する - これは、測定する個々の作物や土壌による。
2. 水ポテンシャルの上限と下限の含水量を求める
3. 植物の根域の深さ（_Zroot）を決定する。
4. 含水率の差に根の深さをかける。

最大灌漑量 = (_VWCup-_VWClow)_Zroot

屋外の大麻の例では、その計算式は次のようになる：

最大灌漑量 = (0.16 - 0.08) x 15 cm = 1.2 cm または 12 mm

覚えているかと思うが、その研究の水分量測定と_Eoはかなり一貫しており、問題を示すものではなかった。しかし、その情報がウォーター・ポテンシャルのデータと組み合わされると、何が本当に問題なのかが非常にわかりやすくなった。

この作物の水ポテンシャルに注意を払っていなかったため、水ポテンシャルは永久的な萎凋点である-1500kPaまで急落した。植物としての大麻の研究はまだあまり進んでいないが、大麻は萎凋点まで土壌から水分を引き抜き続ける。しかし、そのような状態が長く続くことは、植物にとって良いことではない。なぜなら、バイオマスの構築から生き残ることへと、植物がすべてのエネルギーをシフトせざるを得ないからだ。この生産者は8月上旬にこの問題を察知し、1日過剰灌漑を行ったが、水やりが追いつかず、水ポテンシャルはすぐに再び低下した。

学ぶべき教訓

生産者は作物から最大限の利益を得たいと願っているが、以前の状況ではうまくいっていた解決策が、彼らが助けようとしている植物そのものを傷つけている可能性がある。灌漑水管理計画のあらゆる側面におけるニーズと結果を完全に把握しなければ、生産者は期待するほどの成功を収めることはできないだろう。

これら3つのツールは、植物の健康と資源の制約を改善することができる。蒸発散量は素晴らしいスタートですが、それだけでは灌漑水管理の全体像を理解するには十分な情報ではありません。EToは私たちの車を一定の方向に走らせるが、それが正しい方向かどうかはわからない。水ポテンシャルとEToを組み合わせることで、灌漑を「線と線の間」で運転し続けることができますが、その線の中にどれだけの余裕があるかはまだわかりません。水分放出曲線を追加することで、エンベロープを定義し、最適ゾーンで散布すべき水量を示すことができます。

灌漑用水管理に関するFAQ

植物が利用可能な水が不足している乾燥地帯が将来、広い地域で野菜作物の灌漑ができなくなる可能性はどうだろうか？

ニュースを見てお分かりのように、私たちは至る所で淡水に関する課題を抱えている。これらの資源を維持するために、どのように前進するかを考える必要がある。肥料はここ1年で2倍以上に値上がりしており、投入資材、水、肥料、農薬に課題がある。これは、巨大なハンマーでそれらすべてを叩き潰すようなものではない。しかし、気候変動によって乾燥化が進むこれらのシステムにおいて、私たちは水のバランスを作り出すことができる。より良い測定を行い、灌漑の仕方や改善策を理解することで、システムをより良く理解することができる。このデータによって、水圧の高い地帯でも灌漑を続けることができるはずだ。そのための方法を考えなければならない。植物が少しストレスを感じているようなら、もっと水をやりましょう」というような考え方ではいけない。私たちは、植物がどのような状態にあるのかを知るための道具を使い、それを効果的に使って、ただ水をやりすぎるのではなく、水やりの方法を改善する必要があるのです。

現場で水分放出曲線を作成することは可能ですか？

上記で紹介した芝草のウォーター・エンベロープ情報は、実際に私たちが現場で行ったものだ。TEROS 12の含水量センサーと TEROS 21の水ポテンシャルセンサーを設置し、それらを組み合わせて、まさに同じ質問をしたのです。そこでお見せしたデータには、そのようなことは含まれていません。しかしもちろん、METER Group 、ラボで水ポテンシャル、含水率、水分放出曲線を開発するためのかなりクールな機器もある。これらを比較してみたかったのです。そのため、実際にラボに入り、いくつかのデータをまとめました。その例自体には書きませんでしたが、実験室のデータがいくつかあり、それらは実際にかなりよく一致していました。それで、いろいろな人たちと話を始めたんだが、面白いことに、多くの人たちが、フィールドでできることをラボでやってみようというアイデアを持っていた。概して、物事は一致している。では、一致しないこともあるのでしょうか？そうだ。なぜか？私たちは土の中に根を張っているからです。ラボに持ち込めば、根が乾燥したり、サンプルが圧縮されたり、センサーが近くになかったり、センサーが同時に反応しなかったりするかもしれません。水ポテンシャルセンサーは含水率センサーよりも反応が遅いので、それは事実です。そうだ。今のところ何が見えている？かなり近い。

モデリングと直接測定の長所と短所を教えてください。

直接測定ツールの作成に専念している会社として、直接測定に偏らないようにするのは時として難しいかもしれないが、モデリングを行い、モデリングと測定値を一致させる必要性は明らかである。この記事で論じたアプローチは、現場での蒸発散量や土壌水の測定と、モデリングや他の測定から予測できることを組み合わせることと一致している。1つの課題は、フィールドの1カ所か数カ所で測定しているが、フィールドのすべての場所を測定しているわけではないということだ。圃場のどの場所でも正確な水量を供給できるような可変レート灌漑システムのようなものを開発するには、十分なテストができないのです。センターピボットのような単一スイッチの灌漑システムでは、圃場内を一定の速度で走行するため、データがあっても圃場内で調整できないことがある。圃場に水位センサーのようなセンサーを使用することで、たとえ2、3の深さの1箇所であっても、このモデリング作業を大幅に向上させることができる。水収支の推定、気候条件の追加、水分放出曲線の作成など、これらはすべて現場での作業になりがちです。しかし、畑に行って直接水ポテンシャルを測定することは、これまで私たちが見逃してきたことであり、将来に向けて考えなければならないことだと思います。これまでは、正確で信頼性が高く、手頃な価格でその場で測定できるツールがなかったため、現場で水分量を測定し、水ポテンシャルをモデル化するのが一般的でした。ここMETER Group 、私たちの大きなライフワークのひとつは、この状況を変えることです。

水ポテンシャルは一日のうち何時に測定すべきか？

この問題では、2つの異なる種類の水ポテンシャルを別々に考える必要がある。植物の水ポテンシャルと土壌の水ポテンシャルだ。土壌は昼夜を問わず非常に大きな緩衝状態にあります。ですから、土壌の水ポテンシャルが大きく変動することはありません。植物の水ポテンシャルでは、昼と夜の間で変動が見られます。植物の水ポテンシャルは蒸発要求量によって変化する。そのため、植物の水ポテンシャルを測定する場合は、夜明け前に測定するのがベストです。

水分損失が測定されている場合、_EToを測定する必要がありますか？

この質問に対する答えは、イエスでもありノーでもある。水ポテンシャルセンサーを設置し、_EToを使用すれば、確かにうまくいくでしょう。そのため、ツール1とツール2を用意しました。_EToは作物係数を与えてくれます。_ETOは全く必要ないと説得力を持って主張する人もいました。土壌中の含水量と水ポテンシャルを測定すれば、土壌から排出される水の使用量は、_{ETOが拾って}いる水の使用量と同じになるはずですよね？私たちがこれまで見てきたのは、水分放出曲線を得るために水分センサーと水ポテンシャルセンサーを埋設することで、より完全な画像が得られるということです。多くの場合、すべての圃場に気象観測所を設置する必要性が認識されているため、そのコストが問題になります。我々の研究では、すべての圃場にATMOS 41を設置する必要はないと考えている。むしろ、半径15キロごとにATMOS 41を使用する。そうすれば、その地域のいくつかの畑の_EToを得るために1つのATMOS 41を使用することができ、その後、計算を微調整するためにその特定の畑の含水量を使用することができます。

質問は？

当社の科学者は、研究者や生産者が土壌-植物-大気の連続体を測定するのを何十年も支援してきた経験がある。

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