寄稿者

灌漑用水管理システムは、最適な収量と生産性で健全な作物を育てることを目的としています。精密農業戦略を実現するには、測定ツールを用いて過剰な水やりと不足の最適なバランスを見つけることが不可欠です。しかし実際には、水使用量の増加、養分利用率の低下、雑草の蔓延、そして労力の増加といった問題がよく見られます。なぜでしょうか？それは、私たちが避けようとしているまさにその状況を、無意識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、除草剤の使用を最小限に抑えながら、これらの落とし穴を回避する方法を探ります。まずは、バランスの取れていない水システムの例をいくつか見ていきましょう。

例1 - サッカーの芝草

数年前、METER社では、水はけの悪い場所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。ところどころに水たまりができ、芝生の管理が難しく、美観を損なうだけでなく、選手にとっても危険な状況でした。芝生はASTM規格の土壌を12インチ（約30cm）の厚さで敷き詰められており、大雨の後でも美しく、プレーしやすく、安全な状態を保つように設計されています。目標は、投入量を最適化し、侵入雑草の蔓延を抑制することでした。このサッカー場では、侵入雑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したサンプルを示しています。どちらも土壌水分量が低下していることを示しています。特に、この芝の根域である5cmの深さでは、水分量測定値がいずれも高すぎました。

この土壌の間隙水電気伝導度（ECp）も低く、圃場の両端の土壌に栄養不足があることを示唆しています。調査の結果、芝生には以下の症状が見られました。

• 栄養分の乏しさ – 樹冠の緑化を制限する必要
• 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、この記事の後半で詳しく検討します。まずは、2つ目の不均衡な灌漑用水管理のシナリオを見てみましょう。

例2 - 屋外の大麻

以下のグラフは、屋外大麻畑における土壌水分量の測定値を示しています。灌漑圃場の設置は理想的で、温室から移植された植物の株間は1メートル、列間は2メートルでした。シルトローム土壌の上に黒いプラスチックマルチを敷き、開放型の点滴灌漑システムを設置し、15cm、30cm、60cmの深さにセンサーを設置しました。その年の春と夏は暑く乾燥したため、システムの土壌潜在水分量は限られていましたが、植え付け前に土壌に灌漑を行い、モニタリング深度60cmまで湿らせました。境界に設置された防護柵が微気候を作り出した可能性があります。

図3は、水を効果的に管理しようとする場合、土壌水分量だけを調べるだけでは不十分であることを示しています。この土壌では特に異常な変化は見られなかったことがわかります。水分量はほぼ一定に維持されていましたが、これでは全体像が把握できません。

土壌水分量は一見最適に見えたにもかかわらず、作物の生育結果は芳しくありませんでした。測定された条件下での予想収量と比較して、作物のバイオマス生産量は非常に少なかったのです。土壌で何が起こっ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について計算を行い、蒸発散量と比較しました。灌漑システムは、1日に2～3サイクルで、1時間あたり約0.4mmの水を散布していました。栽培者は黒いプラスチックマルチの下まで確認し、土壌が湿っているだけでなく泥状になっていることを発見しました。そのため、問題は散水量ではないと考えました。しかし、それは間違いでした。その年の収量は予想を大きく下回りました。

良好な灌漑水管理のためのビジョン

正しく灌漑を行うには、いつ水を出し、いつ止めるべきかを知る必要があります。理論上はこれは簡単な概念ですが、実際には、いつ水を出し、いつ止めるべきかを計算するのは非常に複雑です。計算するには、以下の3つの質問に対する答えを知る必要があります。

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ましょう。

3つの質問3つの異なるツール

植物が1日にどれだけの水を消費しているかを知るには、蒸発散量を計算する必要があります。植物が1日に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吸収する必要があるかが分かります。土壌中の水が植物の成長に最適に利用できるかどうかを判断するには、土壌水ポテンシャル（土壌吸引力）を計算する必要があります。室温が部屋の広さに関係なく人間の温熱快適範囲を示すように、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水を吸収できるかどうかを決定します。最後に、植物が自由に吸収できる水の量を理解するには、土壌水分放出曲線を知る必要があります。この曲線は、水ポテンシャルと水分含有量の関係を示し、植物が利用できる水分範囲を定義します。

ツールその1 - 蒸発散量

キャンベル・サイエンティフィック社との以前のウェビナーでは、蒸発散量（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では、蒸発散量を計算するために知っておくべき知識はごくわずかです。太陽放射が入射し、温度や水蒸気損失という形で熱が放出されるシステムでは、質量とエネルギーの交換、そしてシステム内での他の交換が行われます。この関係は方程式を用いて解くことができます。

図4の上部には、蒸発散量の計算に用いられるペンマン・モンティス式が示されています。この式は、システム内の他のエネルギー交換を用いて、蒸発と蒸散によって失われる水の量を計算します。残念ながら、蒸発散量を直接正確に測定することはできないため、代わりに作物係数から計算します。システムの蒸発散量を計算すれば、その値を用い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です。「長々とした言葉と長い方程式。何のために必要なの？」実際には、蒸発散量（ET）を計算するには、現地で測定された日射量、風速、気温、相対湿度さえ分かれば十分です。METER社のATMOS 41やATMOS 41Wなどの複合型気象計測ユニットを現地に設置すれば、これらすべての指標に加え、さらに多くの情報を測定できるため、蒸発散量の計算がはるかに容易になります。蒸発散量を計算すれば、システム内でどれだけの水分が失われているかがわかるので、灌漑によってどれだけの水を補給する必要があるかが分かります。

前述の屋外大麻の例では、図 6 を使用して、基準作物の作物係数に基づく基準 ET (ETo) の計算を理解できます。

図6は、基準作物が1日にどれだけの水分を失っていたかを示す数値です。大麻草は、基準作物として使用された12cmの高さの、十分に水分を蓄えた草ではありませんが、シーズンを通して成長するにつれて、実際にこの草冠を模倣しました。屋外栽培の大麻草の場合、シーズン後半の測定時でさえ、圃場は著しく水分不足であり、その結果、作物の生育は著しく低下しました。

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、全体像の一部しか示せないことです。最も簡単に説明すると、道路を走る車を想像してみてください。リファレンスETは、あなたが一方向に進んでいることを維持するのに役立ちますが、道路の反対側を走っているのか、右側を走っているのか、あるいは溝に入っているのかは分かりません。リファレンスETは、あなたの進路を一定に保ちますが、自分がどこにいるのかを真に理解するための基準点を与えてくれません。

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。

測定期間を終了後、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. 土壌水分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、土壌水分、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土壌水分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ステーション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、研究者や栽培者が土壌と植物と大気を関連する連続体として測定するのを支援してきた数十年の経験を持っています。

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