(57)【要約】【課題】  栄養素を効率的に活用できる栄養素循環システムを提供することを目的とする。【解決手段】  栄養素循環システム１は、圃場１０と、圃場１０に埋設された暗渠２０と、暗渠２０からの排水を貯める水源３０と、水源３０より、排水を汲み上げる給水装置４０と、給水装置４０により汲み上げられた排水中にマイクロバブルを発生させるマイクロバブル発生装置４２とを有し、給水装置４０は、マイクロバブル発生装置４２により発生したマイクロバブルを含有する排水を、圃場１０に戻す。【選択図】図１
2018007646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圃場と、
前記圃場に埋設された暗渠と、
前記暗渠からの排水を貯める水源と、
前記水源より、排水を汲み上げる給水装置と、
前記給水装置により汲み上げられた排水中に微細気泡を発生させる微細気泡発生装置と
を有し、
前記給水装置は、前記微細気泡発生装置により発生した微細気泡を含有する排水を、前記圃場に戻す
栄養素循環システム。
【請求項２】
前記水源内に、微生物が定着する多孔質構造体を
をさらに有する
請求項１に記載の栄養素循環システム。
【請求項３】
前記暗渠は、
前記水源に排水する排水管と、
前記排水管の上部に位置し、竹材及び重金属を不溶化させる不溶化材を含有する疎水材層と
を含む
請求項２に記載の栄養素循環システム。
【請求項４】
前記圃場は、竹材を堆肥として含有する作土層を含む
請求項３に記載の栄養素循環システム。
【請求項５】
前記圃場は、発酵促進剤が添加された竹材を堆肥として含有する作土層を含む
請求項４に記載の栄養素循環システム。
【請求項６】
前記圃場は、重金属を不溶化させる不溶化材を含有する作土層を含む
請求項５に記載の栄養素循環システム。
【請求項７】
発酵促進剤が添加された竹材と、
重金属を不溶化させる不溶化材と
を混合した土壌改良材。
【請求項８】
圃場からの排水を、水源に貯めるステップと
水源に貯められた排水に微細気泡を発生させるステップと、
微細気泡を含有する排水を圃場に戻すステップと
を有する
栄養素循環方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、栄養素循環システム、土壌改良材、及び、栄養素循環方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、圃場の地下水の肥料濃度を検出する検出手段と、この検出手段の検出値、前記圃場に投与された施肥量を演算情報として前記圃場に投与すべき施肥量を予測演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする圃場環境浄化システムが開示されている。
【０００３】
また、特許文献２には、簡易型の土壌の強制通水気及び強制排水の方法、農業の省力型根圏土壌環境制御の方法及び、根圏土壌への強制通水気とマイクロバブル供給及び、過湿状態の根圏の排水及び、土壌病害虫の防除の方法と装置を組み合わせた、一つのシステムで多くの作業をこなす総合的な土壌環境制御装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２３５０７４
【特許文献２】特開２０１２−１２０５２３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
栄養素を効率的に活用できる栄養素循環システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る栄養素循環システムは、圃場と、前記圃場に埋設された暗渠と、前記暗渠からの排水を貯める水源と、前記水源より、排水を汲み上げる給水装置と、前記給水装置により汲み上げられた排水中に微細気泡を発生させる微細気泡発生装置とを有し、前記給水装置は、前記微細気泡発生装置により発生した微細気泡を含有する排水を、前記圃場に戻す。
【０００７】
好適には、前記水源内に、微生物が定着する多孔質構造体をさらに有する。
【０００８】
好適には、前記暗渠は、前記水源に排水する排水管と、前記排水管の上部に位置し、竹材及び重金属を不溶化させる不溶化材を含有する疎水材層とを含む。
【０００９】
好適には、前記圃場は、竹材を堆肥として含有する作土層を含む。
【００１０】
好適には、前記圃場は、発酵促進剤が添加された竹材を堆肥として含有する作土層を含む。
【００１１】
好適には、前記圃場は、重金属を不溶化させる不溶化材を含有する作土層を含む。
【００１２】
本発明に係る土壌改良材は、発酵促進剤が添加された竹材と、重金属を不溶化させる不溶化材とを混合した。
【００１３】
本発明に係る栄養素循環方法は、圃場からの排水を、水源に貯めるステップと水源に貯められた排水に微細気泡を発生させるステップと、微細気泡を含有する排水を圃場に戻すステップとを有する。
【発明の効果】
【００１４】
栄養素を効率的に活用できる栄養素循環システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】栄養素循環システム１を模式的に表わす図である。
【図２】重金属不溶化処理の実験結果を表わす図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、栄養素循環システム１を模式的に表わす図である。
図１に例示するように、栄養素循環システム１は、圃場１０と、暗渠２０と、水源３０と、ポンプ４０と、マイクロバブル発生装置４２とを含む。
圃場１０は、作物を栽培するための田畑、又は、農園である。圃場１０は、作土層１２及び心土層１８を有する。ここで、作土層とは、作物を栽培する時に掘り返される範囲の土層をいう。また、心土層とは、植物根のはびこる作土または表土よりも下方の土層をいう。また、圃場１０には、複数の暗渠２０が並行して埋設されている。暗渠２０は、長溝２２と、排水管２４と、疎水材２６とから構成されている。なお、暗渠２０は、補助暗渠を有していてもよい。
【００１７】
長溝２２は、圃場１０をトレンチャー等によって掘削して形成された溝である。
排水管２４は、長溝２２の底部に敷設されている。例えば、排水管２４は、塩化ビニル等の合成樹脂管、素焼きの土管、又は竹管などを繋いで形成される。また、敷設された排水管２４の上壁面には、孔が設けられている。
本例において、排水管２４は、割り竹又は竹管を繋いで形成されている。竹管は、節を取り除いて、内部を貫通させ、上壁面に孔を設けた竹である。割り竹又は竹管の内部を通った水には、後述する竹チップと同様の有効成分が竹管から染み出し、圃場排水環境の改善に役立つ特性が付与される。
【００１８】
疎水材２６は、作土層１２の深さを残して、長溝２２内に充填され、疎水材層１６を形成する。疎水材２６により形成された疎水材層１６は、作土層１２により覆われる。
例えば、疎水材２６は、竹材である。本例において、疎水材２６は、生竹を細かく裁断して形成される竹チップである。竹チップの大きさは、排水量に応じて、適宜変更されればよいが、最大径（最大直径）が５ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
また、本例において、疎水材２６は、重金属を不溶化させる不溶化材を含んでもよい。例えば、重金属を不溶化させる不溶化材は、化石鉱物である。また、化石鉱物は石灰分を含む。本例において、化石鉱物は、天然化石鉱物である。なお、天然化石鉱物は、硫酸鉄を含んでもよい。天然化石鉱物は、鉛、銅、及び、クロム（ＩＩＩ）等を不溶化させる。また、硫酸鉄を含む天然化石鉱物は、ヒ素を不溶化させる。
これにより、疎水材層において、土中より溶出した重金属が、不溶化されて水酸化物となる。このため、暗渠を通じて、水源３０に、重金属が流出することを防止できる。また、化石鉱物が安価なため、有害重金属の不溶化を低コストで実現できる。
【００２０】
水源３０は、用水として利用する水の供給源である。また、水源３０は、用水の排水先である。例えば、水源３０は、天然又は人口の湖、沼、潟、池、又は、河川である。本例において、水源３０は、潟湖である。
水源３０は、暗渠１０からの排水を貯める。例えば、水源３０は、暗渠２０の排水管２４を通して、圃場１０からの排水を貯める。
また、水源３０は、水中に、微生物が定着する多孔質構造体を含む。例えば、多孔質構造体は、珪藻土３２である。また、例えば、珪藻土３２は、水源３０の壁面に設置される。本例において、珪藻土３２は、水中に沈められている。珪藻土３２は多孔質なため、水質を浄化させる微生物が、珪藻土３２に定着しやすい。
【００２１】
ポンプ４０は、本発明に係る給水装置の一例である。例えば、一、又は、複数のポンプ４０は、水源３０に蓄えられた排水を、圃場１０に戻す。また、例えば、ポンプ４０は、水源３０より、排水を汲み上げ、汲み上げられた排水を圃場１０に戻す。本例において、ポンプ４０は、水源３０に蓄えられた排水を汲み上げ、給水管４６を介して、圃場１０に戻す。
【００２２】
マイクロバブル発生装置４２は、本発明に係る微細気泡発生装置の一例である。マイクロバブル発生装置４２は、マイクロバブルを発生させる。ここで、マイクロバブルとは、発生時の直径が１μｍから１００μｍ以下の気泡をいう。マイクロバブルは、水中において、粒径が徐々に縮小し、その後、マイクロバブルは完全溶解する。例えば、マイクロバブル発生装置４２は、ポンプ４０により汲み上げられた排水に、発生させたマイクロバブルを溶解させる。ポンプ４０は、マクロバブルが溶解した排水を、圃場１０に戻す。なお、微細気泡発生装置は、直径が１μｍ以下のウルトラファインバブル、又は、ナノバブルを発生させてもよい。
例えば、マイクロバブル発生装置４２は、水源１０に貯められた排水にマイクロバブルを発生させる。本例において、マイクロバブル発生装置４２は、ポンプ４０により汲み上げられた排水中に、大気中の窒素、酸素、及び、二酸化炭素等を含むマイクロバブルを発生させる。ポンプ４０は、マイクロバブル発生装置４２により発生したマイクロバブルを含有する排水を、圃場１０に戻す。
【００２３】
マイクロバブルが排水に溶解することで、排水中の酸素濃度が高くなり、微生物が活性化し、水質浄化を促す。さらには、水源３０が富栄養化している場合、活性化した微生物が、富栄養化の原因となる窒素成分の分解を促す。分解された窒素成分を含む排水を圃場１０に戻すことにより、作物が、窒素成分を吸収し易くなる。このため、肥料の使用量を抑制でき、また、作物の収穫量を増加できる。また、大気中の窒素、酸素、及び、二酸化炭素等を含むマイクロバブルが混合され、一酸化窒素を生成する。これにより、作物の根の成長促進も期待できる。さらには、作物の根の成長が促進されることで、作物は、効率よく栄養素を吸収できるようになる。また、マイクロバブルにより、給水管４６の内部の汚れが落とされ、給水管４６が老朽化しにくくなり、給水管４６の耐用年数が増加する。
なお、本実施形態において、ポンプ４０と、マイクロバブル発生装置４２とが連携する形態を具体例として説明したが、ポンプ４０がマイクロバブルを発生させる機能を有してもよい。
【００２４】
次に、作土層について説明する。
作土層１２は、竹材を堆肥として含有する。例えば、作土層１２は、竹粉を堆肥として含有する。また、作土層１２は、発酵促進剤が添加された竹粉を堆肥として含有する。例えば、作土層１２は、発酵促進剤としてステビアが添加された竹粉を堆肥として含有する。また、作土層１２は、上述した重金属不溶化材を含有してもよい。また、作土層１２は、微生物を含有してもよい。例えば、微生物は、乳酸菌、納豆菌、及び、酵母菌である。本例において、作土層１２は、ステビアが添加された竹粉、重金属不溶化材、及び、微生物を含む土壌改良材を含有する。
【００２５】
作土層１２に含有される竹粉から、後述する有効成分が染み出す。これにより、土壌の団粒化を促進できる等、竹粉を用いる利点は大きい。一方、竹粉はＣ／Ｎ比が高く、腐敗が不十分の場合、窒素飢餓のリスクが高かった。ここで、Ｃ／Ｎ比とは、炭素と窒素との比率をいう。Ｃ／Ｎ比が高いと、窒素飢餓が起こり、生育障害を起こす。さらには、竹粉が、完熟堆肥化するまでに、３から４ヶ月程度と、長期間を有する。
そこで、微生物発酵促進剤として、ステビアを用いる。これにより、竹材の醗酵を促進させ、Ｃ／Ｎ比を低下させ、窒素飢餓を防止できる。さらに、ステビアを用いることにより、竹材の早期完熟化を実現できる。
また、作物を栽培するときに化学肥料を用いることで、硝酸態窒素が地下水及び河川等へ流亡し、環境汚染問題を引き起こしている。さらに、作土層１２に化学肥料を用いることで、作物中に硝酸態窒素が蓄積する。これは、作物の苦味等の食味の低下原因となっている。
そこで、作土層１２にステビアを含有させる。ステビアが保持する硝酸還元性を有する高温菌により、硝酸態窒素の流亡、及び、作物中の硝酸態窒素の蓄積を抑制できる。
【００２６】
また、竹材の植生環境により、竹材が重金属を含有するリスクがある。さらには、醗酵過程において、竹材が乳酸醗酵することで、ｐＨが降下し、重金属が溶出するリスクがある。また、酸性雨によるｐＨの降下、及び、使用する堆肥の種類によるｐＨの降下により、重金属が溶出するリスクもある。そこで、重金属不溶化材を用いることで、重金属の土壌への溶出を防止する。
従来、有害重金属の除去は、大型機器を用いる洗浄処理又は移動除去が中心であり、コスト及び施工性に問題があった。しかし、本願において、重金属不溶化剤として用いられる天然化石鉱物は安価なため、低コストで、竹材の植生による環境リスクを低減できる。また、大型機器を用いることなく、現場処理により重金属の除去が可能である。また、化石鉱物を用いることにより、安全に重金属を不溶化処理できる。
【００２７】
次に、疎水材２６として用いられる竹チップの効果について説明する。なお、作土層１２に用いられる竹粉も同様な効果を有する。
本例において、疎水材２６として竹チップを用いることで、疎水材２６を介して排水される水には、竹チップから染み出した有効成分により、圃場環境の改善に役立つ特性が付与される。
より具体的には、疎水材２６を介して排水される水は、竹チップから染み出したアルカリ成分により、弱アルカリ性となり、圃場１０の土壌から排水される水に溶け出した鉄分が酸化するのを防止する。これにより、排水管２４から排水される水に含まれる酸化鉄の量が軽減され、酸化鉄による小動物の死滅などの周辺環境への悪影響がなくなる。
また、疎水材２６を介して給水される水には、竹チップからしみ出したメチオニン成分が酸化分解する過程でエチレンガスが発生して殺菌効果と防虫の忌避効果が得られる。また、メチオニンは抗酸化ミネラルであるセレン・セレ二ウムの運搬役であるため抗酸化作用も期待できる。
また、疎水材２６を介して給水される水は、竹チップから染み出たアミノ酸成分により、乳酸菌・酵母菌等の有用微生物が増殖し抗酸化・抗菌・消臭効果作用を付与され、圃場１０における作物の病害虫を防止することができる。
また、疎水材２６を介して給水される水は、竹チップから染み出したアミノ酸類（グリシン、グルタミン酸、アスパラギン酸など）により、作物の成長及び土壌環境の改善、並びに排水浄化に貢献する有用微生物を増殖させる特性を付与され、この有用微生物の働きにより、圃場環境を改善させる。さらに、竹の組織構造は、多孔質であるため、竹チップに有用微生物が定着しやすい。
【００２８】
これにより、暗渠２０は、疎水材２６（排水管２４に竹管を用いる場合は、疎水材２６及び排水管２４）を介して、排水される水に、竹に含有される有効成分の特性を付与し、水源３０及び圃場１０の環境を改善することができる。
また、竹チップは、従来の籾ガラ及び木チップに比べ、土中での耐腐食性に優れる。これにより、疎水材２６を入れ替える時期の間隔が、籾ガラの場合は、５〜１０年、木チップの場合は、およそ１０〜３０年であったのが、竹チップの場合は、およそ３０年以上になる。
また、近年、竹林の拡大による森林被害が問題となっており、多くの竹が伐採されている。暗渠２０は、この伐採された竹を有効利用することができるものと期待されている。
【００２９】
以上説明したように、栄養素循環システム１は、圃場１０に供給された栄養素を、暗渠２０及び水源３０を通じて、再度、圃場１０に戻すことができる。このとき、マイクロバブル発生装置４２により、圃場１０に戻す排水に、マイクロバブルを含有させる。これにより、排水中の酸素濃度が高まり、微生物が活性化すため、作物が排水中に含まれる栄養素を効率的に吸収できる。
また、作土層１２に土壌改良材を使用することで、土中の微生物が活性化し、土壌そのものの耐性が高まり、地力を維持でき、さらには、重金属の溶出を防止できる。これにより、土壌の団粒化を促すことができる。また、化学肥料の依存による地力低下、及び、連作障害を防止できる。つまり、土壌そのものが、常に健全に保たれることで、あらゆる環境変化及び負荷に対して、緩衝機能が働く。これにより、生産性の高い営農環境を提供できる。
また、栄養素循環システム１は、圃場１０及び暗渠２０等に、竹材を使用する。このため、竹材の必須アミノ酸成分が、微生物及び作物に提供される。また、竹材の多孔質構造が、微生物の居住空間を提供する。さらに、竹材に含まれる高いケイ酸により植物の育成を促進できる。
したがって、圃場１０、暗渠２０、及び、水源３０の循環により、圃場１０の地力の維持及び回復、並びに、水源３０の水質浄化が実現でき、さらには、高品質の作物を育成できる。
【００３０】
（試験結果）
図２は、重金属不溶化処理の試験結果を表わす。
図２（Ａ）は、重金属汚染土壌処理の試験結果を表わす。
図２（Ａ）に係る試験において、重金属溶出土壌に天然化石鉱物を一定量混同した後、重金属の溶出量を測定する。溶出試験は、ＪＩＳ規格の土壌溶出試験に準じており、重金属の濃度測定は、グラファイト原子吸光光度法を用いた。試験の結果、８．２６ｍｇ／Ｌの鉛溶出土壌に、土壌１ｋｇあたり天然化石鉱物３０ｇを混合した結果、鉛溶出量は０．００３ｍｇ／Ｌとなった。また、ｐＨ４〜５程度の酸性雨により、鉛が土壌から溶出しないことを、試験で確認した。さらに、不溶化処理した後、５回溶出試験を繰り返し、その結果、鉛の溶出がないことを確認した。これにより、鉛溶出の無い長期安定性のある土壌となっていることを確認できた。また、銅、及び、クロム（ＩＩＩ）溶出土壌においても、不溶化処理が可能であることを確認した。また、天然化石鉱物のみでは、ヒ素の不溶化処理はできなかったが、硫酸鉄を天然化石鉱物に添加し、溶出試験を行ったところ、ヒ素溶出土壌でも不溶化できることがわかった。
【００３１】
図２（Ｂ）は、重金属汚染水処理の試験結果を表わす。
図２（Ｂ）に係る試験において、所定濃度の重金属汚染水溶液に所定の天然化石鉱物を添加し、約1時間攪拌した後、ろ液中の重金属濃度を測定する。試験は、重金属汚染水に、天然化石鉱物（１０ｇ／Ｌ）を加え、十分攪拌し、不溶分を分離して、除去率を測定する。天然化石鉱物（１０ｇ／Ｌ）に対して、５００ｍｇ／Ｌ程度まで鉛の除去が可能であった。また、銅、クロム（ＩＩＩ）、カドミウム、及び、亜鉛の除去も可能であった。さらに、重金属汚染土壌処理と同様に、硫酸鉄を天然化石鉱物に添加することで、ヒ素の除去も可能である。また、本法は、処理水のｐＨは８付近であり、後の中和等の後段処理はほぼ必要ない。
【符号の説明】
【００３２】
１…栄養素循環システム
１０…圃場
２０…暗渠
３０…水源
４０…ポンプ
４２…マイクロバブル発生装置
【図１】
2018007646.tif 000003
【図２】
2018007646.tif 000004