(57)【要約】【課題】  砂漠等の乾燥地において水資源が乏しい場所でも有効な、植物の水ポテンシャルを直接測定することなく極限の水分状態を知り、かつ人手を介さずに自動的に潅水のタイミングを判断し、潅水を行うことのできる自動潅水方法を提供する。【解決手段】  大地に根ざした植物の植物組織の電気インピーダンス、大地と植物の根の間の接地インピーダンスおよび植物の部位の電気容量のうち少なくともいずれかを測定して水分状態を検知し、その水分状態に応じて潅水する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大地に根ざした植物の植物組織の電気インピーダンス、大地と植物の根の間の接地インピーダンスおよび植物の部位の電気容量のうち少なくともいずれかを測定して水分状態を検知し、その水分状態に応じて潅水することを特徴とする自動潅水方法。
【請求項２】
測定部と潅水制御部と潅水部とを備えた大地に根ざした植物に潅水するための装置であって、測定部は、植物組織の電気インピーダンスを測定する１以上の植物組織水分センサ、大地と植物の根の間の接地インピーダンスを測定する１以上の水分センサおよび植物の部位の電気容量を測定する１以上の植物水分センサのうち少なくともいずれかを有し、潅水制御部は、前記測定部で測定された電気インピーダンス、接地インピーダンス、電気容量から植物の水分状態が検知され、その水分状態に応じて植物への潅水が制御されて、潅水部にて潅水が行われることを特徴とする自動潅水装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、自動潅水方法及びそのための自動潅水装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、水分センサによって植物の水分状態を検知して自動的に潅水を行う方法とそのための潅水装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、産業活動が活発になり、温室効果ガスが大量に排出された結果、気温が上昇する地球温暖化が環境問題として取り上げられており、地球温暖化防止のため緑化支援技術の一つとして、自動潅水技術が注目されている。
【０００３】
植物が光合成を行い生育して行くためには、水が必要不可欠である。植物の生育する土壌に適度な水分があれば問題ないが水分が不足すると旱魃となり、その度合いが進むと植物は枯死する。これを防ぐためには、土壌の乾燥状況に応じて適度な潅水を行う必要がある。一般に潅水のタイミングは最近の気象状況、土壌の乾焼状態、地上部の植物の活性具合、葉の萎れ状況等を人が観察し判断する。植物への潅水タイミングが著しく遅れると、いくら水を与えても蘇生せず枯死する事態が起こる。このため、従来より、人手や電力を必要とせずに植物に自動的に潅水する装置やその方法が提案されている。たとえば植木鉢を載置し得る水溜容器と、水溜容器内に収容されるか通水管で連結して水溜容器外に設置される自動潅水装置とからなり、自動潅水装置は、水供給源に直結の給水管が接続されるノズルと、フロートとよりなり、水溜容器の水位が所定の高さになったときにフロートの浮力によってノズルの出水口が閉塞される植物栽培装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。また、自動潅水方法としては、潅水対象の植物とは別にその植物とほぼ同じ条件で水消費量測定用の植物を栽培し、この水消費量測定用の植物が前記水槽から水を自然吸水して消費するようにし、この水槽の水量の減少に応じて、水槽に水を補給するとともに、潅水対象の植物にもその補給水量に応じた水量の潅水を行う方法が提案されている（たとえが、特許文献２参照）。
【０００４】
しかしながら、上記の植物栽培装置や自動潅水方法によれば、水溜容器や水槽の水位変化を検知して給水されるものであるため、潅水用の水が常時豊富に準備できるところでは有効であるが、砂漠等の乾燥地で水資源が乏しいところでは頻繁に水を与えることは困難であり、タンク等に溜めた水は極力節約しなければならず、植物にこれ以上水を与えないと枯れてしまう極限状態の直前で潅水するようにすることが望まれている。
【０００５】
植物の水分欠乏状態は突如としてやってくるわけではなく、降水のない期間が長く続くと土壌の水分量が徐々に少なくなり、やがて植物にとって極限状態となる。この極限状態になるためには必ず土壌の水分不足が先行する。そこで、土壌の水分を土壌水分計などで定量的に検知して潅水する方法が考えられる。しかし、検知された値が植物にとって本当に限界なのか否かの判断は難しい。たとえば、土壌水分計によって測定している地中の場所が植物の根周辺の水分量をよく表しているものであるかどうかは分らない。特に、砂漠等の乾燥地では地表近くの土壌水分と植物の根の主要部分がある深さの土壌水分とではかなり違うので、土壌水分計の測定深度が浅い場合は明らかに大きな誤差が出る。測定深度を適切にすればよいが、植物の根の主要部分の深さは対象植物によって様々なので一律に深さを決めることができなという問題があった。
【０００６】
これまで、植物の旱魃時の極限状態を知る方法としては、植物の水分状態を表すパラメータのひとつである葉の水ポテンシャルを測定し、その植物に固有な水ポテンシャルの極限値を測定することが知られている。その測定方法にはプレッシャーチャンバ−法やサイクロメータ法が一般的に用いられている。しかしながら、いずれの測定方法も葉柄または葉の一部を切除する必要があり、部分的とはいえ破壊的であり、また測定に時間と手間が掛かるなどの問題があった。また、水ポテンシャルの極限値も植物の種類によって異なるので、適用植物についてそれぞれを知る必要があった。
【特許文献１】特開平１０−１１３０８１号公報
【特許文献２】特開平１０−００００４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの背景から、砂漠等の乾燥地において水資源が乏しい場所でも有効な、植物の水ポテンシャルを直接測定することなく極限の水分状態を知り、かつ人手を介さずに自動的に潅水のタイミングを判断し、潅水を行うことのできる自動潅水方法およびそのための自動潅水装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この出願は、上記の課題を解決するものとして、第１には大地に根ざした植物の植物組織の電気インピーダンス、大地と植物の根の間の接地インピーダンスおよび植物の部位の電気容量のうち少なくともいずれかを測定して水分状態を検知し、その水分状態に応じて潅水することを特徴とする自動潅水方法を提供する。
【０００９】
また、この出願の発明は、第２には、測定部と潅水制御部と潅水部とを備えた大地に根ざした植物に潅水するための装置であって、測定部は、植物組織の電気インピーダンスを測定する１以上の植物組織水分センサ、大地と植物の根の間の接地インピーダンスを測定する１以上の水分センサおよび植物の部位の電気容量を測定する１以上の植物水分センサのうち少なくともいずれかを有し、潅水制御部は、前記測定部で測定された電気インピーダンス、接地インピーダンス、電気容量から植物の水分状態が検知され、その水分状態に応じて植物への潅水が制御されて、潅水部にて潅水が行われることを特徴とする自動潅水装置を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
この出願の発明によれば、砂漠等の乾燥地において水資源が乏しい場所でも有効な、植物の水ポテンシャルを直接測定することなく、インビボ直接測定によって植物の水分状態を知り、かつ人手を介さずに自動的に潅水のタイミングを判断し、潅水を行うことのできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下、さらに詳しく発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
この出願の発明は、大地に根ざした植物の植物組織の電気インピーダンス、大地と植物の根の間の接地インピーダンスおよび植物の部位の電気容量のうち少なくともいずれかを測定して水分状態を検知し、その水分状態に応じて潅水する方法とそのための自動潅水装置に関するものである。
【００１３】
図１は、この出願の発明の自動潅水装置の一実施形態を模式的に示した図であり、大地に根ざした植物の植物組織の電気インピーダンスを測定部で測定して、潅水制御部（９）で植物の水分状態を検知し、その水分状態に応じて、潅水部（１１）で自動的に潅水する自動潅水装置である。図１では、植物の一例として樹木（１）を例示しているが、樹木以外に草木や野菜等の植物であってもよい。
【００１４】
植物の水分状態は、水ポテンシャルから知ることができるが、これを直接測定しなくてもこれと関係がある植物組織の電気インピーダンスを測定すれば、水ポテンシャルに代行させることができる。すなわち、この出願の発明は、水ポテンシャルと関係ある植物組織の電気インピーダンスを植物からの水分センサ信号とみなし、これによって自動潅水のタイミングを決めるものである。
【００１５】
植物組織の電気インピーダンスの最も簡単な等価回路は抵抗Ｒと容量Ｃの並列回路で示される。抵抗Ｒは、主として細胞外組織を流れる電流が関与するところの抵抗である。容量Ｃは、細胞の内と外の境界を司る膜によって形成される量である。細胞の生きていることの証拠は、この膜による容量の存在である。細胞の活性が高ければ、膜はよく機能し、必然的に容量は大きいものとなる。活性が落ちれば、膜機能は低下し、容量は減少する。もし細胞が死ねば、もはや細胞の内と外を区別する境界はなくなるので容量は消失し、植物組織のインピーダンスは抵抗のみとなる。また、抵抗は組織全体が乾燥すれば水分が少なくなり電気伝導性は悪くなるので、極めて高い値となる。
【００１６】
図２に植物組織の電気インピーダンスを測定するための測定回路を示す。植物の茎や幹、枝などの電気インピーダンスを測定したい植物組織部（６）に図のような４つの電極を取り付けて、通電用第１電極（２）と通電用第２電極（５）の間に交流電源（７）によって交流電流Ｉを流し、電圧測定用第１電極（３）と電圧測定用第２電極（４）の間に生じる電圧Ｖを測定する。さらに、交流電流Ｉに対する電圧Ｖの位相θを測定すれば、電圧測定用第１電極（３）と電圧測定用第２電極（４）の間の植物組織の電気インピーダンスＺは、Ｚ＝lＶl／lＩl（ｃｏｓθ＋ｊ・ｓｉｎθ）で表される。このようにして電気インピーダンスを測定する方法は４電極法と呼ばれているが（または４端子法、または４探針法とも呼ばれる）、この方法は測定のための電極と植物組織部（６）の接触界面で生じるインピ−ダンスおよび測定リード線の影響を受けないで植物組織部（６）の電気インピ−ダンスが測定できることから、一般的に用いられている方法であり、この原理に基づいたインピーダンス測定器はＬＣＲメータ、またはインピーダンスメータとして入手できる。生体が測定対象の場合、測定リード線と生体との結合は電極によって行うが、生体には水分があり、その水分は電解質なので、電極を長期間取り付けたままで使用するには、化学的に安定な金属材料が考慮される。このような金属材料としては、たとえば白金や、安価なステンレスが好適に用いられる。電極の形状としては、植物組織に適当な深さまで刺入することから、茎、幹および枝が細いものに対しては針状の電極、太いものに対しては太さに応じた釘状の電極が適宜選定される。
【００１７】
上述のインピーダンス測定から、並列等価回路で示した抵抗Ｒと電気容量Ｃが求まるので、植物組織の水分量変化に対するこれらの値がどのように変化するかをインビトロ実験によって示す。測定対象は、植林によく用いられる木本植物であるユ−カリ（Ｅｕｃａｌｙｐｔｕｓ  ｃａｍａｌｄｕｌｅｎｓｉｓ）とし、西オーストラリアの乾燥地で採取された種から、バーミキュライトを培地としてポット内で育てられた苗を用いた。複数の苗から木部化していない緑色の茎部（直径約３mm）を長さ１５ｃｍほど切除し、中央部分の３ｃｍを測定部位とした。測定結果から得られた切り枝の相対含水率と電気容量及び抵抗との関係を示したグラフをそれぞれ図３と図４に示す。ここで、相対含水率とは飽和状態での含水量に対する含水量の比である。図に示した４つの試料のうち、葉つきのもの以外は葉を落とした茎のみの試料である。
【００１８】
図３から、飴和状態（相対含水率１（ｋｇ／ｋｇ））の電気容量はどの試料もほぼ等しく約５００ｐＦであった。相対含水率が０.６（ｋｇ／ｋｇ）より低下すると徐々に電気容量も低下し始め、相対含水率が０.４（ｋｇ／ｋｇ）以下になると急激に電気容量が低下した。電気容量の低下の仕方には個体差が見られるが、どの試料も相対含水率が０.２（ｋｇ／ｋｇ）付近で容量がゼロとなった。
【００１９】
一方、図４から、抵抗については、相対含水率が０.４（ｋｇ／ｋｇ）以上の範囲では相対含水率の低下に伴う抵抗の増大は緩やかであり、また、どの試料もほぼ等しい傾向を示した。相対含水率が０.４（ｋｇ／ｋｇ）よりも低下すると抵抗は急激に増大し始め、相対含水率が０.２（ｋｇ／ｋｇ）付近では１ＭΩ以上に達した。これらの関係から、相対含水率が０.４（ｋｇ／ｋｇ）より低下すると植物の活性は劇的に変化し、相対含水率が約０.２（ｋｇ／ｋｇ）で完全に活性を失い、枯死に至ると考えられる。別の個体の葉柄試料で測定した相対含水率と水ポテンシャルの関係から、相対含水率０.４（ｋｇ／ｋｇ）及び０.２（ｋｇ／ｋｇ）は、それぞれ−５ＭＰａ，−９ＭＰａの水ポテンシャルに相当すると推定された。また、葉がついている場合でも、相対含水率と抵抗及び電気容量の間の関係は葉を除いたものとほぼ等しいことが確認された。このように植物組織の電気容量や抵抗と相対含水率または水ポテンシャルを関係付けることにより、インピーダンス測定から植物の水分状態を推測することが可能になる。
【００２０】
このように、図1では植物組織の電気インピーダンスを測定するための測定部である４つの電極もった植物組織水分センサ（８）を樹木（１）の任意の箇所、たとえば幹の下部、上部、枝に取り付けて植物組織の電気インピーダンスを測定する。多くの植物において、旱魃時の水分量の減少は、根から距離の離れた部分から始まるので、樹木（１）の何箇所かにそれぞれ植物組織水分センサ（８）を取り付けて植物組織の電気インピーダンスを測定することで樹木（８）全体の水分量を把握でき潅水のタイミングの判断を確実にすることができる。
【００２１】
潅水制御部（９）は、たとえばＳＷ部（９１）と検出部（９２）と潅水判断部（９３）から構成されており、複数個の植物組織水分センサ（８）からのリードはＳＷ部（９１）にて一定時間ごとに切り替えられ、検出部（９２）でそれぞれの植物組織水分センサ（８）から植物組織の電気インピーダンスが検出される。潅水判断部（９３）では、電気インピーダンスと植物の相対含水率の関係から、電気インピーダンスの値に応じて注水バルブ（１０）が開閉するように設定される。このため、植物組織の電気インピーダンスの検出結果から潅水のタイミングが判断され、植物の相対含水率が低い場合には、注水バルブ（１０）が開かれて、潅水部（１１）である貯水タンク（１１１）からの水が潅漑チューブ（１１２）に導かれ、樹木（１）の根元で点滴灌漑または散水される。
【００２２】
図５には、この出願の発明の別の自動潅水装置の一実施形態を模式的に示した図である。この図５によれば、植物の植物組織の電気インピーダンスを測定するための植物組織水分センサ（８）以外に、大地と植物の根の間の接地インピーダンスを測定する水分センサ（１２）が測定部として取り付けられている。
【００２３】
一般に接地金属物体の接地インピーダンスＺは、Ｚ＝ρ・ｆ（形状、寸法）で表される。ここで、ρは大地の電気的性質を表す大地比抵抗であり、ρの大小は土壌の含水量によって左右される。ｆは接地金属物体の形状と寸法で定まる関数である。植物の根の接地インピーダンスについては、関数ｆの中に根の組織インピーダンスがさらに入ってくるが、ρとｆの積には変わりない。すなわち、植物の根の接地インピーダンスを測定すると、根の組織インピーダンスとともに大地の乾湿に関する情報も得ることができる。このことから、植物の根の接地インピーダンスを植物自身のセンサシグナルとして捕らえることができるため、上述したような土壌水分計を用いて土壌水分を測る方法の不都合を解決することができる。
【００２４】
植物の根の接地インピーダンス測定方法は、本発明者らによって植物の根の接地抵抗測定方法として提案されている（特開平１１−３３２３７７号公報、特開２００３−２４５０１５号公報参照）。これらの方法によれば、植物組織の電気インピーダンスの測定の場合と同じように電極抵抗の影響を無くすために４電極法が適用される。
【００２５】
ここで、図５に示したように、第１補助電極Ｃ、第１電極Ｔ、第２電極Ｅ、第２補助電極Ｐの４つの電極からなる水分センサ（１２）が用いられる。地面に打ち込んだ第１補助電極Ｃと樹木（１）に取り付けた第１電極Ｔまたは第２電極Ｅの間に交流電流を流し、もう１つの第２補助電極Ｐと樹木（１）に取り付けた第２電極Ｅまたは第１電極Ｔとの間の電圧を測定する。第１補助電極Ｃの接地位置は接地インピーダンス測定法の条件を満たすように、通常は樹木（１）から１０ｍ以上離し、第２補助電極Ｐは樹木（１）と第１補助電極Ｃとの中間とする。水分センサ（１２）からの植物の根の接地インピーダンスの測定には植物組織の電気インピ−ダンスの測定の時と同じ検出部（９２）が利用できるので、図５のようにＳＷ部（９１）に切り替え部分を追加すればよい。
【００２６】
このように、植物の地下部における根の接地インピーダンスと、地上部の植物組織の電気インピーダンスを組み合わせることで、精度よく潅水タイミングを決定することができる。さらに、植物が生育する場所での土壌の乾湿情報を組み合わせることで、より精度を高めることができる。もちろん、植物の地下部における根の接地インピーダンスのみの測定でも、精度よく潅水タイミングを決定することができる。
【００２７】
また、植物の水分状態を知るセンサとして、また電極を刺入しないで非浸襲的に行うセンサとしてコンデンサの原理に基づき、主として容量変化を観測できる植物水分センサ（１３）を用いてもよい。このセンサによれば、この出願の発明の主要部分に対して補助的な手段、または簡易的な水分状態を知るためのセンサとして利用することができる。平行平板型のコンデンサの容量はε・（Ｓ／ｄ）で表される。ここで、εとはコンデンサの極板間に充填された物質（植物の茎、幹、葉等）の誘電率、Ｓは極板の面積、ｄは電極板間の距離である。水の誘電率は空気より８０倍近く以上大きいので、コンデンサの電極板の間にある水分量の変化はコンデンサの電気容量変化から知ることができる。平行平板型は、葉の水分量変化の検出に有効である。コンデンサの型が平行平板型でなくとも同じような原理で図６に示すような円筒形をなした茎・幹・枝（１４）に対しても適用できる。二つの電極板（１５）と対象物である茎・幹・枝（１４）の問には絶縁シート（１６）を挿入する。これは、対象物が葉の場合でも同様に電極板と葉の間に絶縁シート（１６）を挿入する。測定装置へのリード線の結線は原理的には４電極法によっており、実際には図６のように電極板との接続部分で通電用第１リード（１７）と電圧測定用第１リード（１８）を結線する。もう１つの電極板では電圧測定用第２リード（１９）と通電用第２リード（２０）を結線する。通電用第１リード（１７）、電圧測定用第１リード（１８）、電圧測定用第２リード（１９）、通電用第２リード（２０）の４本のリード線は図２に示した通電用第１電極（２）、電圧測定用第１電極（３）、通電用第２電極（４）、電圧測定用第２電極（５）のそれぞれ対応する。こうすることによって、測定器からコンデンサまでのリード線の抵抗やインダクタンスの影響は４電極法の原理により除去することができ、電気容量のみの測定が可能となる。植物組織には抵抗成分もあるので、これらはコンデンサの誘電損失として扱うことができる。植物の何箇所かにそれぞれ植物水分センサ（１３）を取り付けて植物の電気容量を測定することで、植物全体の水分量を把握でき潅水のタイミングの判断を確実にすることができる。また、上述の植物組織水分センサ（８）と水分センサ（１２）を組み合わせて使用することで、さらに精度よく潅水タイミングを決定することができる。
【００２８】
図７は、この出願の発明のさらに別の一実施形態を模式的に示した図である。この図７によれば、対象とする植林地あるいは既存の森林に対し、点滴潅漑ないしは散水設備を既存の技術によって施す。潅水部（１１）である水資源としては貯水タンク（１１１）を利用するが、貯水タンク（１１１）へ給水は、概地域で行われている一般的な方法で可能である。たとえば、雨水の貯水や風車によって井戸から水を汲み上げる、または給水ラインがある場所ではこの利用などいろいろな態様が考えられる。潅水タイミングは、植物組織水分センサ（８）、水分センサ（１２）、植物水分センサ（１３）を取り付けて、潅水制御部（９）にて、植物組織の電気インピーダンス、根の接地インピーダンス、植物の幹、枝、葉の電気容量を測定して、樹木（１）自身の水分量に関する情報を詳細に分析し、これ以上水分が欠乏すると枯死に至る限界寸前で注水バルブ（１０）を開いて潅水を実施する。１本の樹木（１）ないしは必要に応じて複数本の樹木（１）から得た情報により総合的に判断する。この装置は一度セットすれば、メンテナンス以外には無人で自動化されるので、砂漠や半乾燥地など人の居住地域から離れた場所での実施に適している。なお、図７では樹木（１）への実施例を示したが、樹木（１）を農作物などに代えれば、これらの旱魃にも適用できる。
【００２９】
さらに、近年先進的には作物の施設内（ハウス）栽培がとみに普及しつつあり、旱魃の問題よりはかかる栽培においてあらゆる作物の性質に応じた栽培方法とその水分制御方法の検討が実用段階で必要になってきている。たとえば、トマト栽培においては、糖度の高いトマトを生産するために、水を多量に与えるのではなく、むしろ少なくして栽培が行われている。すなわち、水分ストレスを適度に与えることによって、糖度の高いトマトを生産する方法が行われている。しかし、適量な水分量の判断については、植物自身から電気的に直接情報を得ているのではなく、経験的な判断に頼っているのが現状である。本願の発明の自動潅水方法を適用すれば、植物組織の電気インピーダンス、大地と植物の根の間の接地インピーダンス、茎、葉などの植物の部位の電気容量の測定値をもとに総合的に判断して、適量な水分量を精度よく制御することができる。
【００３０】
以上は一例であるが、農業上の応用性については、以下のように考えられる。農作物全般において植物（作物）と水分の関係は切り離せない関係にある。栽培法とその管理法（生長・開花・着果調節、花芽形成・分化、着色、肥大等）や土壌・栽培環境の制御（光波長・温度・湿度制御等）、収穫目標物の熟度の把握、加工・品質管理法（貯蔵・食感・成分・味覚・鮮度保持等）には生体水分制御方法の確立が必要で、生体（作物）自身の水分量を把握でき潅水できる自動潅水装置の開発により、これからの農作物の付加価値をさらに増大させる他、安全性の高い食料生産に寄与する部分が大きい。考えられる具体的な対象作物は、花卉・花木類、野菜類、果樹類、草類、穀物類あらゆる有用植物である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この出願の発明の自動潅水装置の一実施形態を模式的に示した図である。
【図２】植物組織の電気インピーダンスを測定するための測定回路である。
【図３】幹の相対含水量に対する電気容量の関係を示したグラフである。
【図４】幹の相対含水量に対する抵抗の関係を示したグラフである。
【図５】この出願の発明の別の自動潅水装置の一実施形態を模式的に示した図である。
【図６】この出願の発明の植物水分センサを説明するための図である。
【図７】この出願の発明のさらに別の一実施形態を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  樹木
２  通電用第１電極
３  電圧測定用第１電極
４  電圧測定用第２電極
５  通電用第２電極
６  植物組織部
７  交流電源
８  植物組織水分センサ
９  潅水制御部
９１  ＳＷ部
９２  検出部
９３  潅水判断部
１０  注水バルブ
１１  潅水部
１１１  貯水タンク
１１２  灌漑チューブ
１２  水分センサ
１３  植物水分センサ
１４  茎・幹・枝
１５  電極板
１６  絶縁シート
１７  通電用第１リード
１８  電圧測定用第１リード
１９  電圧測定用第２リード
２０  通電用第２リード
【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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