(57)【要約】【課題】農作物の養液栽培を行うにあたり、養液貯槽や使用済み養液の貯槽等について大規模な設備を必要としないで、簡略化された設備にて養液を効率よく循環使用して、農作物の栽培を行う方法を提供することを目的とする。【解決手段】養液を栽培ベッドに供給して養液栽培を行うにあたり、栽培ベッドから排出され貯槽に収容されている使用済み養液を、栽培ベッドへの養液給液時の水流により吸い上げ、新しい養液に混合して栽培ベッドへ給液することを特徴とする養液栽培方法並びに新しい養液に対する使用済み養液の混入率が１／２量以下であることを特徴とする上記の養液栽培方法を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
養液を栽培ベッドに供給して養液栽培を行うにあたり、栽培ベッドから排出され貯槽に収容されている使用済み養液を、栽培ベッドへの養液給液時の水流により吸い上げ、新しい養液に混合して栽培ベッドへ給液することを特徴とする養液栽培方法。
【請求項２】
新しい養液に対する使用済み養液の混入率が１／２量以下であることを特徴とする請求項１記載の養液栽培方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、養液栽培方法に関し、さらに詳しくは、回収した養液を再利用するに際して、外部動力を用いることなく、簡便な方法で実施することができるため、経済的に有利であり、しかも養液組成の変動を抑えて農作物に供給することができる養液栽培方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年は、蔬菜類、花卉類などの農作物の生産にあたり、土耕栽培と比較して省力化・軽労化の可能な養液栽培（水耕栽培）の割合が増加してきている。養液栽培とは、ロックウールや有機土壌等の栽培ベッドに養液を供給して農作物の栽培を行う方法を言い、掛け流し式や循環式と呼ばれる方式のものが主流である。
【０００３】
掛け流し式とは、農作物に対し常に新しい養液を必要量供給して栽培する方式である。図２は、栽培に際しての基本的な配管系と栽培法を簡略化して示したものである。この方式では、原水水源７から原水供給管９を介して供給される原水を、液肥吸入管１１により液肥原液（養分）貯槽１０からポンプ等で吸い上げ、若しくは他の手段で吸入した液肥と液肥混入機８で混ぜて得られた養液を養液供給管５により栽培ベッド１へ供給する。栽培ベッドにおいて農作物に利用された養液は、再利用することなく排液管２から系外に排出する。
この掛け流し式養液栽培によれば、病気の発生、拡散や養液組成の変動を防ぐことはできるが、養液不足とならないように、栽培ベッドへ安全を見越して必要量より多めに養液を供給する必要がある。このため、再利用されることなく大量の使用済み養液が施設外へ排出され、資源の無駄である上に、地下水等に混入して環境汚染の原因となるばかりでなく、経済的にも不利である。通常、この方式による排液率は２０〜３０％である。
【０００４】
一方、循環式とは、農作物に利用されなかった養液を回収して、再び給液に用いる方式の栽培法である。この方式では、農作物により吸収された養分と水、あるいは蒸発散により失われた水を適宜補って栽培する。図３に、この方式の概略を示す。液肥と原水を混合して調製した養液を入れたタンク１７から供給される養液と回収した使用済み養液を混合するための貯槽１６から、動力ポンプ１８を用いて混合養液を吸い上げ、養液供給管５を経て栽培ベッド１へ給液して農産物の栽培に供する。
養分及び水の補充量は、通常、タンク１７中の養液成分をモニターして決定される。この方式では、タンク１７から栽培ベッド１への養液の循環、供給は、動力ポンプ１８によりなされる。
循環式養液栽培は、養液を再利用するため、その排出量を抑えることができる点で掛け流し式養液栽培よりも優れている。しかし、この方式では掛け流し式の場合と同様に、養液不足とならないように安全を見越して必要量より多めに養液を栽培ベッド１へ供給する必要がある。そのため、大容量の貯槽を用いる必要がある等、設備が大型化することが避けられない。
【０００５】
また、養液の給液には、外部動力により運転するポンプを用いる必要があるので、施設費や維持費がかかり、経済的な方法ではない。
さらに、養液組成の変動を防いで一定の組成の養液を供給するために、組成を時々モニターする装置が必要となる。
このため、大規模な設備を必要とせず、かつ、施設費や維持費を低コストに抑えることができ、農作物にとって適切な組成を有する養液を簡便に供給できる養液栽培方法の開発が望まれていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の課題を解決して、簡略化された栽培系で実施することができ、かつ、経済的にも有利に、農作物に適切な組成を有する養液を供給することのできる養液栽培方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決するため鋭意検討を重ねた。その結果、驚くべきことに、栽培槽（栽培ベッド）から排出され、貯槽に収容されている使用済み養液を、養液給液時の水流を駆動力として新しい養液に補充混合して養液を調製することにより、外部動力を使わずに農産物に適量な養液を給液することができることを見出し、かかる知見に基づいて本発明を完成するに到った。
【０００８】
請求項１に係る本発明は、養液を栽培ベッドに供給して養液栽培を行うにあたり、栽培ベッドから排出され貯槽に収容されている使用済み養液を、栽培ベッドへの養液給液時の水流により吸い上げ、新しい養液に混合して栽培ベッドへ給液することを特徴とする養液栽培方法である。
請求項２に係る本発明は、新しい養液に対する使用済み養液の混入率が１／２量以下であることを特徴とする請求項１記載の養液栽培方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す。
請求項１に係る本発明は、養液を栽培ベッドに供給して養液栽培を行うにあたり、栽培ベッドから排出され貯槽に収容されている使用済み養液を、栽培ベッドへの養液給液時の水流により吸い上げ、新しい養液に混合して栽培ベッドへ給液することを特徴とするものである。
【００１０】
図１は、請求項１に係る本発明の養液栽培方法の実施に用いられる養液栽培系の１例を示す説明図である。
図１に示される養液栽培系は、栽培槽（栽培ベッド）１、排液管２、水流ポンプ３、吸水管４、養液供給管５Ａと５Ｂ、貯槽６、原水水源７、液肥混入機８、原水供給管９、液肥貯槽１０及び液肥吸入管１１とを備えていることを特徴とするものである。
栽培槽（栽培ベッド）１から排出される使用済み養液を貯槽６へ収容するには、栽培槽下部の排出口から排液管２を経て自然に排出させてもよいが、栽培槽に勾配をつけ傾斜させることにより、使用済み養液を効果的に貯槽６へ排出させ、回収できる。
【００１１】
請求項１に係る本発明の養液栽培方法においては、栽培ベッドから排出され、貯槽に収容されている使用済み養液を、栽培ベッドへの養液給液時の水流により吸い上げ、これを新しい養液に混合して栽培ベッドへ給液する。すなわち、外部動力を使用することなく、栽培ベッドへの養液給液時の水流によって使用済み養液を吸い上げ、新しい養液に混入させて栽培ベッドへ給液するのである。
栽培ベッド１は、栽培槽に岩石などを溶融して綿状に形成したロックウールや不織布、椰子殻繊維、籾殻等の１種又は２種以上を組み合わせて敷き詰めたものであり、植物の根を保持することができるようにしたものである。
栽培槽１の下部には排液管２が設けられている。これは、栽培ベッドの下部から排出される養液、すなわち使用済み養液を貯槽６へ導くために設置されているものである。未だ養分を十分に含んでいる使用済み養液を効率よく回収できるように、栽培槽（栽培ベッド）に傾斜勾配を付けることが好ましい。
【００１２】
栽培槽１は、一般的にプラスチック材料で構成されており、サイズは特に制限されず、使用目的などにより適切な大きさとすれば良い。例えば野菜類の栽培に用いられる市販品の場合、幅３０ｃｍ、厚さ１０ｃｍ程度である。長さには特に制限はなく、所望により複数個の栽培槽を連結する等により延長することも可能である。その他、防水シートで作成した栽培槽も使用できる。
【００１３】
図１に示した水流ポンプ３は、養液給液時の水圧のエネルギーを、使用済み養液を貯槽からの吸い上げのためのエネルギーに変換して、使用済み養液を新しい養液に混合するために用いられるものである。
ここで、水流ポンプ３の原理は、管の中を流れる流体についてのエネルギー保存の法則を利用したもので、市販品のアスピレーターに相当する。
アスピレーターの作動原理は、以下のようなものである。図４に示したように、径が途中で変化する管の中を流れる流体について次の関係式が成り立つ（ベルヌーイの法則）。
【００１４】
【数１】
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【００１５】
上記式中、ρは流体の密度（水は１０３ｋｇ／ｍ３）を、ｖｉｎは入口側の管内を流れる流体の速度（ｍ／ｓ）を、ｖｏｕｔは出口側の管内を流れる流体の速度（ｍ／ｓ）を、Ｐｉｎは入口側の管内の水圧（Ｐａ）を、Ｐｏｕｔは出口側の管内の水圧（Ｐａ）を示す。
外部から流体の流入がなければ、管の径が細いところの方が流体の速度は大きくなる。出口側（図４のｏｕｔ）を大気中に開放する（即ち、Ｐｏｕｔを大気圧と等しくする）と、Ｐｉｎは大気圧よりも低くなる。このとき、入口側（図４のｉｎ）と出口側（図４のｏｕｔ）の境界に空気の取り込み口を付けると、空気の吸引が起こる。これが、水流ポンプの作動原理である。したがって、図５の空気の取り込み口に相当する部分（入口側と出口側の境界部分）から液体を吸入させれば、液体の混合器となる。
流体における運動量保存の法則から、空気の取り込み口に相当する部分からの液体の混入率（補充混合割合）は入口側（図４のｉｎ）と出口側（図４のｏｕｔ）の口径比によって決まる。
【００１６】
図１における水流ポンプ３を養液栽培系の養液供給経路上に取り付けた場合の作動条件は、図５においてＰｉｎが大気圧よりも小さくなることである。養液栽培装置では、Ｐｏｕｔは大気圧よりも大きくなり、ｖｏｕｔも時間あたりの給液量により規定される。この場合、Ｐｉｎを大気圧よりも小さくするには、入口側（図５のｉｎ）の流路を絞り込んで断面積を小さくし、ｖｉｎを十分に大きくする必要がある。
【００１７】
このような原理で、水流ポンプ３は、養液給液時の水圧のエネルギーを、使用済み養液を貯槽から吸い上げるためのエネルギーに変換して、使用済み養液を新しい養液に補充混合して循環させ、利用することができる。
このような水流ポンプ３としては、上記の原理を考慮して、時間あたり給液量（栽培の規模に依存する）と作動水圧に応じたものを設定することができる。例えば、ベルヌーイの定理と運動量保存の法則から、水流ポンプ内の絞り込んだ入口側の流路径（図５のｉｎに相当）２ｍｍ及び水流ポンプ出口側の流路径（図５のｏｕｔに相当）３ｍｍの条件下で、目標混入率１／３のとき、給液量、給液チューブ（吸水管）内水圧について方程式を解くと、以下の関係式が得られる。
【００１８】
【数２】
Ｖｏｕｔ≧３１９√Ｐｏｕｔ
【００１９】
上記式中、Ｖｏｕｔは給液量（Ｌ／ｈｒ）を、Ｐｏｕｔは給液チューブ内水圧ｋｇ／ｃｍ２）を示す。
図１の養液栽培系において、この規格の水流ポンプ３を、入口側が原水側（即ち、図１の水源７側）に、出口側が給液側（即ち、栽培ベッド１側）に向くように養液供給管５に接続し、吸水管４を介して吸入口を貯槽６に接続することにより、上記関係式を満足する条件とすれば、使用済み養液を新しい養液に混合することができる。市販の水流ポンプ（アズワン株式会社製、商品コード：１−６８９−０２、金属製）は、ここで例示した規格に近い構造を持つことが、その性能から推定されるものである。
水流ポンプ３の材質についても特に制限はなく、例えばガラス製、金属製、テフロン（登録商標）、ポリアセタール樹脂等のプラスチック製等通常ポンプの材質として用いられるものであれば何れも用いることができる。
【００２０】
図１の養液栽培系において、水流ポンプ３は、栽培槽に至る養液供給管５の途中の位置に取り付けられ、水流ポンプ３の吸水口には吸水管４を接続して養液供給管５に直交して連結されている。尚、吸水管４を設けずに、水流ポンプ３本体を貯槽６に直接浸して、水流ポンプ３の吸水口から使用済み養液を吸入させることもできる。
養液供給管５の端部は、栽培槽（栽培ベッド）１に接続しており、使用済み養液を新しい養液に補充混合して調製された養液を、栽培ベッドに供給する。養液の供給速度は、栽培する作物（植物）の株数に応じて、水源の水圧や、流量調整弁付きの給液チューブを使用することにより適宜設定することができる。例えば、トマト、キュウリ等の果菜類の場合、１株あたり１〜３Ｌ／ｈｒの流量で１〜２分間、植物による水の消費量（生育段階、天候、気象等により変動する）に応じて１日に数回給液を行うのが一般的である。
【００２１】
液肥混入機８は、水源７から原水を供給する原水供給管９、液肥貯槽１０から液肥を供給する液肥吸入管１１及び養液供給管５に接続され、水源７から供給される原水に液肥貯槽１０から供給される液肥を混入し、栽培ベッド１へ供給する新しい養液を調合するためのものである。原水と混合する液肥の種類、量等は、栽培する作物の種類や環境条件に応じて適宜設定することができる。
【００２２】
図１に示したような養液栽培系を用いて行う養液栽培法では、農作物によって利用されなかった養液を、栽培ベッドの下部に設置した排液管２を介して排出され、貯槽６に使用済み養液として収容される。この使用済み養液は、養液供給管５にて新しい養液を給液する時に、水流により水流ポンプ３に接続された吸水管４を介して吸い上げられ、前記の新しい養液や、必要に応じて加えられる水と混合され、新しい養液等とともに、養液供給管５を介して栽培ベッドに供給されて、農作物の栽培に供される。この操作を繰り返して行うことにより、使用済み養液を循環させ、効率よく利用することができる。
【００２３】
ここで、新しい養液に対する使用済み養液の補充混合割合は、請求項２にかかる本発明に記載のように、新しい養液に対する使用済み養液の混合量が、１／２量以下となるようにすることが好ましい。使用済み養液の混合量の調節は、前記の式を考慮して、水流ポンプ内の流路径と出口側の管径を適切に設定することにより行うことができる。
【００２４】
【実施例】
以下において、実施例により本発明を説明する。
実施例１（使用済み養液の混入率と養液供給管内の水圧との関係）
図６に示したモデル栽培系において、養液を循環使用する際の養液供給管内の水圧と貯槽からの吸い上げ量との関係を調べた。
本実施例では、水流ポンプ３として、金属製の水流ポンプ（アズワン株式会社製、商品コード１−６８９−０２）を用いた。また、養液の代わりに水道水を用い、水源圧として水道栓の水圧をそのまま利用した。
【００２５】
水流ポンプ３の吸水口３１と吐出口３２に落差を設けた。この落差によって生じる圧力差ΔＰが、原理的には実際の養液栽培装置における養液供給管５内の水圧に相当する。貯槽１９内の水量を予め測定しておき、水源（水道栓）２０から一定時間給水を行って、貯槽１９からの吸い上げ量（混合量）と水流ポンプ３の吐出口３２から吐出される水量を測定して、貯槽から吸い上げられた水の混入率を算出した。
水源２０の開放度を変えることにより流量を調節し、流量と混入率との関係を調べた。落差３０ｃｍ（ΔＰ＝２９４０Ｐａ）の場合の結果を第１表に、落差１００ｃｍ（ΔＰ＝９８００Ｐａ）の場合の結果を第２表に示す。
また、落差３０ｃｍの場合及び落差１００ｃｍの場合における混入率と水流ポンプ出口の流速との関係を、それぞれ図７及び図８に示す。
【００２６】
【表１】
第１表（落差３０ｃｍの場合）
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【００２７】
【表２】
第２表（落差１００ｃｍの場合）
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【００２８】
第１表、第２表、図７及び図８から明らかなように、養液供給管内に水圧がかかっている場合であっても、水流ポンプ吐出口の流速を適切に選定することによって、ポンプから吐出される水に占める貯槽から吸い上げられた水の混入率を３０％以上とすることが可能である。
【００２９】
実施例２（養液栽培装置の作動試験）
図１に示す如き養液栽培装置を作成し、これを使用して養液を循環、使用する際の原水圧、養液供給管内の水圧及び使用済み養液の吸い上げ量との関係を調べた。
本実施例では、水流ポンプ３として、金属製の水流ポンプ（アズワン株式会社製、商品コード１−６８９−０２）を用いた。また、養液の代わりにフィルター及び減圧弁を通した灌漑水を用い、原水圧は減圧弁により調整した。
【００３０】
養液供給管５には、圧力補正付・ウッドペッカー水だれ防止ＣＮＬドリッパー（０１−ＷＣＮＬ−０３、ネタフィム製）を１６２個取り付けた。このドリッパーは、水圧０．４ｋｇ／ｃｍ２（０．０３９ＭＰａ）以上で１個当たり３Ｌ／ｈｒの一定の流量が得られる。従って、養液供給管の設計上の流量は４８６Ｌ／ｈｒである。
原水圧を０．２０ＭＰａ、０．２５ＭＰａ、０．３０ＭＰａの３段階で養液供給管５内の圧力と貯槽６からの吸い上げ量（混合量）を測定し、それぞれの原水圧における混入率を設計流量から算出した。また、給液量は、原水圧が０．２５ＭＰａのときのドリッパーからの吐出量を実測して算出した。
全ドリッパーからの吐出量の合計は４７０Ｌ／ｈｒであり、ほぼ設計上の流量が得られていることが確認された。
各原水圧における養液供給管５内の水圧と混入率との関係を第３表に示す。
【００３１】
【表３】
第３表〔養液供給管５内の水圧と混入率との関係〕
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【００３２】
第３表から明らかなように、本発明の養液栽培装置によれば、使用済み溶液の混入率を２０％以上とすることができる。この値は、水流ポンプを改良することにより、さらに高めることが可能である。
【００３３】
なお、本発明の養液栽培方法が適用される農作物には制限がなく、例えば果菜類、葉菜類、花卉類など様々の農作物に適用することができる。特に、キュウリ、トマト等の果菜類への適用が好適である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の養液栽培方法によれば、養液を効率よく循環使用するため、養液貯槽や使用済み養液の貯槽等について大規模な設備を必要とせず、簡略化された設備で農作物の栽培を行うことができる。
また、本発明の養液栽培方法は、大型ポンプなどの外部動力を必要とせず、また水流ポンプ１台のみで養液を供給することができるので、設備費や維持費を抑えることができ、経済的にも有利である。
さらに、本発明の養液栽培方法によれば、養液組成を大きく変動させることなく栽培ベッドに一定量を供給できる。したがって、養液組成の変動を防ぐことができ、農作物にとって適切な養分を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の養液栽培方法を実施するための養液栽培装置の１例を示す説明図である。
【図２】従来の掛け流し式養液栽培系の１例を示す説明図である。
【図３】従来の循環式養液栽培系の１例を示す説明図である。
【図４】アスピレーターの作動原理の説明図（径が途中で変化する管）である。
【図５】アスピレーターの作動原理の説明図（図４の管の入口側と出口側の境界に空気の取り込み口を付けてなる管）である。
【図６】実施例１で用いたモデル栽培系の模式図である。
【図７】実施例１における水流ポンプ出口の流速と水流ポンプ出口から吐出される水量中に占める貯槽から吸い上げられる水の混入率との関係を示すグラフである。
【図８】実施例１における水流ポンプ出口の流速と水流ポンプ出口から吐出される水量中に占める貯層から吸い上げられる水の混入率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  栽培槽（栽培ベッド）
２  排液管
３  水流ポンプ
３１  吸水口
３２  吐出口
４  吸水管
５  養液供給管
６  貯槽
７  水源
８  液肥混入機
９  原水供給管
１０  液肥貯槽
１１  液肥吸入管
１６  貯槽
１７  水源
１８  動力ポンプ
１９  貯槽
２０  水源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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