(57)【要約】【課題】水分又は肥料の供給量を低減でき、かつ、植物の根への空気供給する植物育成構造、植物育成用土壌または植物育成方法を提供する。【解決手段】植物育成構造は、凹部を有し、表面を撥水コーティングした粒子である撥水砂で形成されている撥水砂層と、前記撥水砂の凹部に位置している保水層と、前記保水層に位置し、かつ、前記撥水砂層に向かって根が伸長する植物とを備える。また、保水層に植物を位置することで植物を育成する植物育成用土壌であって、凹部を有し、表面を撥水コーティングした粒子である撥水砂で形成されている撥水砂層と、前記撥水砂の凹部に位置している保水層とを備える。【選択図】図１Ａ
2013247891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部を有し、表面を撥水コーティングした粒子である撥水砂で形成されている撥水砂層と、
前記撥水砂の凹部に位置している保水層と、
前記保水層に位置し、かつ、前記撥水砂層に向かって根が伸長する植物とを備える、
植物育成構造。
【請求項２】
前記植物が成長して前記撥水砂層の中に根を伸ばして育成する際に、前記保水層に外部から水分が供給され、前記水分が前記植物の前記根を伝って移動する、請求項１に記載の植物育成構造。
【請求項３】
前記保水層は、前記植物の周辺のみに設けている、請求項１〜２のいずれか１つに記載の植物育成構造。
【請求項４】
前記保水層は、表面を撥水コーティングしていない粒子、又は表面を撥水コーティングしていない粒子と所定重量以下の表面を撥水コーティングした粒子とで構成されている、請求項１〜３のいずれか１つに記載の植物育成構造。
【請求項５】
前記保水層に供給される水分に、肥料成分が含まれている、請求項２に記載の植物育成構造。
【請求項６】
前記撥水砂層は、表面を撥水コーティングした粒子、又は、表面を撥水コーティングした粒子と所定以下の重量比の表面を撥水コーティングしていない粒子とで混合して構成されている、請求項１〜５のいずれか１つに記載の植物育成構造。
【請求項７】
保水層に植物を位置することで植物を育成する植物育成用土壌であって、
凹部を有し、表面を撥水コーティングした粒子である撥水砂で形成されている撥水砂層と、
前記撥水砂の凹部に位置している保水層とを備える、
植物育成用土壌。
【請求項８】
前記撥水砂層は、表面を撥水コーティングした粒子、又は、表面を撥水コーティングした粒子と所定以下の重量比の表面を撥水コーティングしていない粒子とで混合して構成されている、請求項７に記載の植物育成用土壌。
【請求項９】
植物育成土壌を用いて、植物を育成する育成方法であって、
前記植物育成土壌は、
凹部を有し、表面を撥水コーティングした粒子である撥水砂で形成されている撥水砂層と、
前記撥水砂の凹部に位置している保水層とを備え、
前記保水層に植物を位置することで、植物を育成する、植物育成方法。
【請求項１０】
前記凹部に、種子、苗、種子及び苗の状態の植物を、前記植物の全体が保水層に位置するように、植物を位置した状態から育成する、植物育成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撥水効果を有する砂を用いた水耕栽培に使用可能な植物育成構造、植物育成用土壌、及び植物育成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
食糧危機の観点等から農作物の生産効率を向上するために、土壌構造を改良する試みが行われている。特に、砂漠化した土地において、水分を保持するため、撥水コーティングした現地の砂を活用した土壌改良に関する考案があった。
【０００３】
従来の土壌改良された一例の土壌は、保水剤を有する土壌上に形成された、保水剤を含有しない土壌層と、その土壌層の上に、疎水性粒子からなる疎水層とを有する（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図８Ａ〜図８Ｃに、従来の土壌を示す。図８Ａに示す土壌は、保水剤を有する保水剤層５０と、保水剤層５０の上に形成された通常土壌５１と、通常土壌５１の上に疎水層５１とを備える。疎水層５１により、水分蒸発を防いでいる。
【０００５】
図８Ｂに示す土壌は、図８Ａに示す土壌の上に形成された通常土壌５１を備える。または、図８Ａに示す土壌の保水剤層５０の上に形成されている疎水層５２と、疎水層５１の上に形成されている通常土壌５１とを備える。
通常土壌５１は１０〜１００ｍｍの厚みを有する。
【０００６】
図８Ｃに示す土壌は、疎水層５２の内部に、疎水層５２を貫通して、部分的に疎水性を有しない通常土壌５１を備える。保水剤層５０の上の疎水層５２により、蒸発防止する。また、疎水層５２の上の通常土壌層５１により、疎水層５２を太陽光又は風から守る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３０５７３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、水分又は肥料の供給量を低減でき、かつ、植物の根への空気供給も可能な植物育成構造、植物育成用土壌、及び植物育成方法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】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１０】
本発明の１つの態様によれば、凹部を有し、表面を撥水コーティングした粒子である撥水砂で形成されている撥水砂層と、前記撥水砂の凹部に位置している保水層と、前記保水層に位置し、かつ、前記撥水砂層に向かって根が伸長する植物とを備える、植物育成構造を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の植物育成構造、植物育成用土壌、及び植物育成方法は、水分又は肥料の供給量を低減でき、かつ、植物の根への空気供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】第１実施形態の植物育成構造の構成を示す断面図。
【図１Ｂ】図１Ａの状態よりも植物の根が伸びた状態における第１実施形態における植物育成構造の構成を示す断面図。
【図１Ｃ】図１Ｂの状態よりも植物の根が伸びた状態における第１実施形態における植物育成構造の構成を示す断面図。
【図１Ｄ】図１Ｃの状態よりも植物の根が伸びた状態における第１実施形態における植物育成構造の構成を示す断面図。
【図２Ａ】第１実施形態の変形例の植物育成構造の構成を示す断面図。
【図２Ｂ】図２Ａの状態よりも植物の根が伸びた状態における第１実施形態の変形例における植物育成構造の構成を示す断面図。
【図２Ｃ】図２Ｂの状態よりも植物の根が伸びた状態における第１実施形態の変形例における植物育成構造の構成を示す断面図。
【図２Ｄ】図２Ｃの状態よりも植物の根が伸びた状態における第１実施形態の変形例における植物育成構造の構成を示す断面図。
【図３Ａ】第１実施形態の植物育成構造の基本原理の説明のための実験装置を示した  図。
【図３Ｂ】第１実施形態の植物育成構造の基本原理の説明のための実験装置を示した  図。
【図３Ｃ】第１実施形態の植物育成構造の基本原理の説明のための実験装置を示した図。
【図３Ｄ】第１実施形態の植物育成構造の基本原理の説明のための実験装置を示した図。
【図４】第１実施形態の植物育成構造の基本原理説明のための実験装置を示した断面図。
【図５Ａ】従来の撥水砂のみ使用した土壌による植物育成構造の構成を示す断面図。
【図５Ｂ】第１実施形態の植物育成構造の構成を示す断面図。
【図５Ｃ】第１実施形態の変形例の植物育成構造の構成を示す断面図。
【図６Ａ】従来の撥水砂のみ使用した土壌による植物育成構造の実施例を示す説明図。
【図６Ｂ】第１実施形態の水分及び肥料供給装置の植物を使用した評価結果に関する実施例を示す説明図。
【図６Ｃ】第１実施形態の変形の水分及び肥料供給装置の植物を使用した評価結果に関する実施例を示す説明図。
【図７Ａ】第１実施形態の特徴の一つを説明する図。
【図７Ｂ】第１実施形態の特徴の一つを説明する図。
【図８Ａ】従来の撥水砂を使用した土壌を示す図。
【図８Ｂ】従来の撥水砂を使用した土壌を示す図。
【図８Ｃ】従来の撥水砂を使用した土壌を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明者が見出した課題を詳細に説明する。
【００１４】
特許文献１に示す土壌は、疎水層５２が存在するために、地表面３０から水を注いだ場合に、保水剤層５０にまで水分が到達し難い。
【００１５】
図８Ｃに示す土壌は、疎水層５２の内部に、又は、疎水層５２を貫通して、部分的に疎水性を有しない通常土壌５１を有している。よって、例えば、植物を植える用途に用いた場合に、その土壌表面に植物を植える限定された部分のみ疎水性を除くことが効果的な場合がある。この場合には、地表面３０から水を注いだ場合も、極めて速く土壌に水が浸透し、疎水層５２を通過、或いは回避して保水剤に水が到達して保持されることが可能である。
【００１６】
しかし、この場合にも、通常土壌５１又は保水剤層５０へ、植物が必要とする適切な量の水分のみを到達させて保持するのは困難で、給水する量の正確なコントロールが必要となる。給水が多過ぎても通常土壌５１に無駄に吸収され、或いは過剰な水分が保水剤層５０上に維持されるために、食物に適切に空気が供給されずに、根腐れが生じる可能性がある。逆に、疎水層５２を貫通する水分量コントロールが不十分なために例えば、水分が不足すると、植物は適切には生育しない可能性がある。
【００１７】
また、通常土壌５１は厚さを規定しているが、水平方向の大きさは限定していない。植物への給水を考慮した際に、供給される水分は最初に通常土壌５１に吸収されるが、水平方向への広がりが大きい場合には、その分、多くの水分が水平方向に拡散、吸収される。
【００１８】
つまり、植物に必要な適切な量のみの水分供給を行いたい場合にも、過度な水分が無駄に消費されることになる。植物に吸収されない水分は、表面から蒸発するため効率が悪く、無駄と言える。さらに、水平方向にも通常砂が層状なために、植物育成時に疎水層５２での水分蒸発を抑制しており、植物の根腐れの可能性が高くなっている点も課題である。
【００１９】
また、通常土壌５１の厚さ内に、植物の種または苗が設置される保証が無く、疎水層５２の設置された場合には、植物の根の伸長による反作用で、植物が移動してしまう可能性があり栽培には不適切である課題を有する。
【００２０】
以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００２１】
本発明の第１態様は、凹部を有し、表面を撥水コーティングした粒子である撥水砂で形成されている撥水砂層と、前記撥水砂の凹部に位置している保水層と、前記保水層に位置し、かつ、前記撥水砂層に向かって根が伸長する植物とを備える。
【００２２】
本発明の第２態様は、前記植物が成長して前記撥水砂層の中に根を伸ばして育成する際に、前記保水層に外部から水分が供給され、前記水分が前記植物の前記根を伝って移動する。
【００２３】
本発明の第３態様は、前記保水層は前記植物の周辺のみに設けている。
【００２４】
本発明の第４態様は、前記保水層は、表面を撥水コーティングしていない粒子、又は表面を撥水コーティングしていない粒子と所定重量以下の表面を撥水コーティングした粒子とで構成されている。
【００２５】
本発明の第５態様は、前記保水層に供給される水分に、肥料成分が含まれている。
【００２６】
本発明の第６態様は、前記撥水砂層は、表面を撥水コーティングした粒子、又は、表面を撥水コーティングした粒子と所定以下の重量比の表面を撥水コーティングしていない粒子とで混合して構成されている。
【００２７】
本発明の第７態様は、凹部を有し、表面を撥水コーティングした粒子である撥水砂で形成されている撥水砂層と、前記撥水砂の凹部に位置している保水層とを備え、前記保水層に植物を位置することで植物を育成する。
【００２８】
本発明の第８態様は、前記撥水砂層は、表面を撥水コーティングした粒子、又は、表面を撥水コーティングした粒子と所定以下の重量比の表面を撥水コーティングしていない粒子とで混合して構成されている。
【００２９】
本発明の第９態様は、植物育成土壌を用いて、植物を育成する育成方法であって、前記植物育成土壌は、凹部を有し、表面を撥水コーティングした粒子である撥水砂で形成されている撥水砂層と、前記撥水砂の凹部に位置している保水層とを備え、前記保水層に植物を位置することで、植物を育成する。
【００３０】
本発明の第１０態様は、前記凹部に、種子、苗、種子及び苗の状態の植物を、前記植物の全体が保水層に位置するように、前記植物を位置した状態から育成する。
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３２】
（第１実施形態）
図１Ａ〜図１Ｄは、第１実施形態の植物育成構造の断面を示す。植物育成構造及び植物育成用土壌は、植物に水分及び肥料を供給し、育成する。
【００３３】
図１Ａ〜図１Ｄに示す植物育成構造は、撥水砂層１と、植物２ａと、保水層３とを備える。撥水砂層１と保水層３とを、「植物育成用土壌」とも称する。
【００３４】
＜撥水砂層１＞
撥水砂層１は、粒子の表面を撥水コーティングされている粒子で形成されている。以下、「撥水砂」とは、粒子の表面が撥水コーティングされている砂である。
【００３５】
「粒子」とは、礫、砂、シルト、及び粘土を含む。礫とは、２ｍｍより大きく７５ｍｍ以下の粒子径を有する粒子である。砂とは、０．０７５ｍｍより大きく２ｍｍ以下の粒子径を有する粒子である。シルトとは、０．００５ｍｍより大きく０．０７５ｍｍ以下の粒子径を有する粒子である。粘土とは、０．００５ｍｍ以下の粒子径を有する粒子である。
【００３６】
撥水砂は、例えば、クロロシラン系材料、アルコキシシラン系材料、シリコーン系材料、フッ素シリコーン系材料、及びアクリルエマルジョン系撥水剤から選択される少なくとも１種を含む撥水剤で撥水コーティングされている。
【００３７】
撥水砂層１は、凹部を有する。凹部の内部形状は、直方体に限らない。例えば、碗のように、凹部の内部の表面を曲面で構成しても良い。撥水砂層１の上部の表面から撥水砂層１の内部方向（深さ方向）に向かう面を有する凹部であれば良い。
【００３８】
撥水砂層１の凹部には、植物２ａ及び保水層３が位置する。撥水砂は、水を通し難い機能を有する。したがって、撥水砂層１の凹部に位置する保水層３に含まれる水分は、撥水砂層１に通過できず、保水層３に維持される。植物２ａは、保水層３に含まれる水が供給される。
【００３９】
＜植物２ａ＞
植物２ａの少なくとも一部が、撥水砂層１に位置する。
【００４０】
本明細書の「植物２ａ」は、撥水砂層１の中で根２ｂを伸ばして育成する植物であれば良い。本明細書において、撥水砂層１に位置する植物２ａは、種子のみ、苗のみ、種子及び苗を含む。植物２ａの例は、大根又は人参を含む根菜である。
【００４１】
＜保水層３＞
保水層３は、撥水砂層１の凹部に位置する。保水層３に含まれる水分は、保水層３と接する撥水砂層１の撥水性により、一定程度、保持される。
【００４２】
例えば、保水層３は、上面、下面、及び側面で形成されている場合、下面及び側面は、撥水砂層１と接している。
【００４３】
保水層３は、粒子の表面を撥水コーティングされていない粒子で形成されている。以下、粒子の表面を撥水コーティングされていない粒子を「通常砂」とも称する。なお、保水層３の内部に位置する水分を維持できる程度に、保水層３は撥水砂を含んでいても良い。撥水砂及び通常砂を混合することにより、保水層３の水分を一時的に保持しやすくするのが望ましい（図１Ａ参照）。
【００４４】
撥水砂層１の凹部に位置する保水層３に加えて、撥水砂層１の内部に、保水層３を位置しても良い。
【００４５】
なお、保水層３は水平方向のサイズには制限を設けても良い。これは、水分量の制限、又は調整のためだけではない。例えば、保水層３の下部に位置する撥水砂層１の水分の適切な蒸発のための通路を設ける効果を有している。
【００４６】
なお、保水層３に、所定の時間間隔で水を供給する給水部を有していても良い。または、根２ｂを移動する水分の量を計測し、所定の基準以下の場合には、保水層３に水を供給する供給部を有しても良い。
【００４７】
＜本発明者らの知見＞
撥水砂の上に水分を供給した時、水分の塊の形状を形成し、撥水砂の上に位置する。実際、撥水砂の上部の表面は、完全に水平となる場合は少ない。本発明者らは、実際は、撥水砂の上部の表面の形状により、水分の塊は転がるように、移動していくことを見出した。
【００４８】
よって、撥水砂のみで形成した層に対して、水分を供給した場合、その層の上面で水分が移動することになる。例えば、風で水分が移動する。しかし、その水分を所定の位置で保持することができない。また、常に層の表面に水分が位置することになり、水分が蒸発する可能性がある。
【００４９】
本実施形態の植物育成構造は、植物育成構造の上表面の一部に、保水層３が位置することにより、水分の塊が所定の位置（保水層３）に保持できる。
【００５０】
植物育成構造の上表面は、撥水砂層１及び保水層３で形成されている。例えば、撥水砂層１の上表面の形状を保水層３に向けて傾斜させることで、水分の塊を保水層３に供給することもできる。
【００５１】
また、複数の水分を撥水砂層１の上面に供給しても良い。複数の水分の塊が転がるように移動するため、水分の塊毎に、保水層３に供給される時刻が異なる。これにより、撥水砂層１の上表面の形状の傾斜角度に基づいて、保水層３に供給する水分の調整することできる。
【００５２】
例えば、保水層３への水の供給方法は、例えばジョウロなどで保水層３に給水しても良いし、水を貯水するタンク等から所定時間毎に保水層３に給水する構成を有しても良い。また、撥水砂層１の上面に水を供給し、撥水砂層１の表面から保水層３に水分が移動することにより、保水層３に水を供給してもよい。
【００５３】
さらに、保水層３に位置する植物２ａが育成し、茎及び葉を形成した場合には、葉等の上部に水を散水しても良い。これにより、葉から茎に沿って保水層３に水分が集めることができるので望ましい。
【００５４】
次に、保水層３から植物２ａの根２ｂに水分が供給される作用について、説明する。
【００５５】
植物２ａの根２ｂは、撥水砂層１の内部を伸長する。根２ｂが撥水砂層１の内部を伸長することで、根２ｂの周囲に撥水面と親水面から構成される空間が形成される。
【００５６】
撥水砂層１は、撥水砂の表面の撥水性により、水を通しづらくなっている。しかし、根２ｂの周囲に形成された空間には、撥水砂による撥水面の影響も受けつつも、根２ｂの親水面の効果により、水分が侵入する。
【００５７】
水分は、根２ｂに沿って、根２ｂの周囲に形成された空間を通過していくことになる。図２Ｄに示すように、水分が通過する空間を、給水路４と称する。植物２ａの根２ｂにより給水路４を構成することができるのは、植物２ａの根２ｂの表面は親水性であることを利用するものである。詳細は後述する。このようにして、植物２ａの根２ｂは、保水層３から水分を供給される。
【００５８】
なお、保水層３が予め肥料を含んでいる場合も、水分と同様に、根２ｂに肥料を供給することができる。また、保水層３に供給する水分が肥料成分を含んでいる場合も、根２ｂに肥料を供給することができる。
【００５９】
＜保水層３の変形例＞
図２Ａ〜図２Ｄに、植物育成構造の変形例の断面を示す。図２Ａ〜図２Ｄは、順に、植物２ａが成長している状態を示す。
【００６０】
図２Ａ〜図２Ｄに示す植物育成構造は、保水層３は断面が四角形の形状を有する。図２Ａ〜図２Ｄに示す保水層３は、図１Ａ〜図１Ｄに示す保水層３より、大きい容積を有する。
【００６１】
図２Ａ〜図２Ｄに示す保水層３は、例えば、撥水砂層１の上面に接する膜の層形状である。図２Ａ〜図２Ｄに示す保水層３は、少なくとも下面及び側面が撥水砂層１と接していれば良い。
【００６２】
植物２ａの根２ｂが、撥水砂層１を形成する撥水砂の間を、下方向又は横方向に伸張していく。根２ｂが伸張する際、伸張する根２ｂの上方にある保水層３に対して、上方に力が加わる。その結果、植物２ａが保水層３の上面に排出されることがある。したがって、所定以上の体積を有する保水層３を形成することで、その重量を大きくすることが望ましい。例えば、植物２ａの根２ｂの伸張速度等に応じて、保水層３の体積を決定する。
【００６３】
また、植物２ａの根２ｂに供給する水分量等に応じても、保水層３の体積を決定することができる。例えば、根２ｂでの給水速度、又は、植物２ａに供給する水分量に応じて、保水層３の体積を決定する。保水層３の体積により、その内部に維持される水分の量が決まる。水分の量に応じて、水分の移動速度又は水分の供給量が変化するためである。
【００６４】
また、植物２ａの根２ｂの伸長に応じて、保水層３の体積を変更しても良い。
【００６５】
＜根腐れに関する本発明者らの知見＞
従来、撥水砂１から水分蒸発を防止することが求められていた。しかし、本発明者らは、植物２ａの育成するためには、植物２ａに水を供給した後の水分の影響を考慮することを想定している。例えば、保水層３から給水される根２ｂ等に水分を供給した後に、その位置に残る水分による根腐れを防止することを想定している。
【００６６】
植物２ａに、適切な時間間隔で、かつ、適切な水分量が供給されることが望ましい。植物２ａ水分が長期間残存することは、根２ｂが腐る可能性がある。したがって、給水時以外は、給水路４が乾燥し、根２ｂが水分と接しないことが望ましい。
【００６７】
撥水砂１は水分を保持しにくいので、その内部等に存在する水分を蒸発しやすい。加えて、蒸発の経路（給水路４から植物育成用土壌の上面）において、保水層３の周辺に制限があることは、撥水砂１中の水分が気化して大気中に移動しやすくなっている。
【００６８】
最小限の水分又は肥料を植物に与える場合に、十分な水分又は肥料を植物に与える場合よりも、植物が伸長し、又は、栄養価の高い植物が生育できることを示す研究が有る。
【００６９】
そのためには、植物の育成状況に応じて、水分又は肥料の供給量の制御できることが好ましい。本実施形態の植物育成用土壌は、周辺土壌への供給が低減し、植物２ａに対する定量的な供給の精度も高めることが可能となる。
【００７０】
特に、保水層３の体積等を制御することにより、植物２ａの根２ｂへの水分の共有量の制御できる。
【００７１】
第１実施形態の植物育成用土壌は、根を伝って、水分又は肥料が植物に供給される。そのため、根を伝う水分又は肥料を検知することで、植物に供給されている水分又は肥料がわかる。そのため、植物に供給されている水分又は肥料の量と、植物に供給すべき量とを比較して、保水層３に水分又は肥料を供給することができる。上述のように、保水層３に含まれる水分を変更するために、保水層３の容積または体積を変更しても良い。また、例えば、植物に供給されている水分又は肥料の量が供給すべき量よりも少ない場合には、その差に対応する量以上の水分又は肥料を保水層３に供給する構成を有していても良い。
【００７２】
なお、クロロシラン系化合物を用いて粒子の表面を処理して、撥水砂を形成した場合する場合には、単分子での表面処理が可能である。よって、重複による表面形状の変化等がなく、通常の土壌と同様な植物２ａの育成が可能である。
【００７３】
＜実験結果＞
本発明者らの２つの実験により、撥水砂中の水分を移動させることができることがわかった。以下、実験を説明する。
【００７４】
図３Ａに、１つ目の実験の環境を示す。図３Ａに示すように、逆円錘形状の容器２０内に、撥水砂層１を配置した。撥水砂層１の内部に、通常砂で構成された保水層３を配置した。撥水砂層１内を経由して、撥水砂層１の表面と保水層３とを接続するように１本の根２ｂを配置した。撥水砂層１中の根２ｂの長さは約１０ｃｍであった。
【００７５】
撥水砂層１は、約１５０μｍの平均粒径を有する豊浦砂に、クロロシラン系のフッ素含有材料により撥水コーティングを行っている。撥水砂は、純水による接触角測定において、約１３０度以上の接触角を有していた。なお、本実験では、特徴的な撥水砂を利用したわけではなく、撥水性を有する砂で形成されている撥水砂層１であれば、同様の結果を示すと考えられる。
【００７６】
逆円錘形状の容器２０は、化学用品のガラス製ロートを使用した。根２ｂは、観葉植物のポトスの根を使用した。保水層３は、逆円錘形状の容器２０の内面に接するように設けた。これにより、保水層３の色の変化から、水分量を観察した。保水層３の色の変化とは、例えば、保水層３の濃淡である。保水層３が濃い色を有する場合には、水分が含まれており、保水層３が薄い色を有する場合には、水分が含まれていない。濃淡の度合いによって、水分量をおおよそ測定することもできる。
【００７７】
なお、容器２０の内壁がガラスのため親水性であるため、水分がガラス内壁表面に沿って移動する可能性がある。よって、撥水砂層１と容器２０の内壁と間を、水分が移動しないように、撥水材料によって撥水処理を施している。
【００７８】
撥水砂層１の上表面の根２ｂに位置する部分に、１０ｃｃの水滴２１を供給した。
【００７９】
水滴２１を供給してから６分後に、保水層３の色が濃くなったことを確認した。つまり、根２ｂの表面沿って、水滴２１が保水層３へ移動したといえる。
【００８０】
その後、保水層３の色変化した部分が拡大していった。水滴２１を供給してから約３０分後に、保水層３の色が所定以上に濃さになった。つまり、根２ｂの表面沿いに、水滴２１が保水層３に移動したことを明確に観察できたと考えられる。
【００８１】
約３時間後に、撥水砂層１の上表面に滴下した水分２１は全て消滅した。
水滴２１の蒸発速度に基づいて、滴下した水滴２１が蒸発したとは考えられない。したがって、水滴２１の少なくとも一部が、保水層３に移動したと考えられる。
【００８２】
約４時間半後に、保水層３の全ての領域の色が変化した。
【００８３】
約３日後に、保水層３の水分は消滅していた。保水層３から水分が蒸発したと考えられる。
【００８４】
図３Ａ〜図３Ｃに、実験結果から考えられる水滴２１の移動経過を示す。
【００８５】
図３Ａは、水滴２１の水分が根２ｂを移動している様子を示す。図３Ｂは、図３Ａに示す様子から水分が保水層３に向かって、移動している。図３Ｃは、水滴２１を供給してから６分後に、水分が保水層３に到達した様子を示す。
【００８６】
撥水砂は、一定以上の水侵入圧を有する。例えば、水侵入圧は、十数ｃｍの高さを有する水柱程度に相当する。十数ｃｍの高さを有する水柱より小さい量の水を通さず、十数ｃｍの高さを有する水柱以上の量の水を通すことを意味する。
【００８７】
撥水砂の上に、水侵入圧以下の水分の滴下した場合、水分が撥水砂層１内に移動または侵入することは困難である。なお、撥水砂に重量比３分の１以下の通常砂を混合した層に、水分を滴下した場合も、同様である。
【００８８】
しかし、本発明者らの実験では、撥水砂層１に滴下した水分は、撥水砂層１の内部を移動して、保水層３に到達した。つまり、撥水砂層１の内部に根２ｂを位置することにより、撥水砂層１中に、水分を移動させることができることがわかった。
【００８９】
図４に、２つ目の実験の環境を示す。
【００９０】
図３Ａに示す実験では、保水層３の水分の吸引作用より、水分が移動している可能性も想定された。実用上は、保水層３に依存せずに水を供給することが求められる場合がある。また、保水層３に根２ｂが接していない場合に、水分を根２ｂに供給することが求められる場合がある。たとえば、根２ｂは、鉛直下向き（深さ方向の下向き）以外の方向にも伸長する。根２ｂは、その表面から根毛呼ばれる、ごく細かい毛状の突出物が出ている。根毛は、全方向に伸長する。
【００９１】
図４の実験環境により、保水層３を有さず、かつ、水分が鉛直下向き以外の方向に移動するか否かを確かめた。
【００９２】
プラスチック容器２３内に、撥水砂層１を配置した。撥水砂層１の内部に仕切板２２を位置した。撥水砂層１は、仕切板２２を挟んで、撥水砂層１の表面の高さが変わるようにした。図４に示すように、撥水砂層１は、仕切板２２を挟んで、撥水砂の表面２４ａと、表面２４ａより低い位置にある表面２４ｂとを有する。根２ｂは、撥水砂層１の表面２４ａから表面２４ｂまで、仕切板２２の下方を迂回するように、位置した。撥水砂は、図３の実験と同様であった。
【００９３】
表面２４ａは、表面２４ｂより３ｃｍ高い位置であった。根２ｂは、表面２４ａから最も低い位置まで７ｃｍ低下し、低い位置から表面２４ｂまで４ｃｍ上昇する形状を有していた。根２ｂの表面２４ａから表面２４ｂまでの長さは、１５ｃｍであった。
【００９４】
なお、図３の実験環境と同様に、容器２０の内壁がガラスのため親水性であるため、水分がガラス内壁表面に沿って移動する可能性がある。よって、撥水砂層１と容器２０の内壁との間を、水分が移動しないように、撥水材料によって撥水処理を施している。
【００９５】
撥水砂層１の表面２４ａに水滴２１を滴下した。水滴２１の水分が根２ｂを伝って、撥水砂層１の表面２４ａから表面２４ｂまで移動するか否かを実験した。
【００９６】
水滴２１の滴下から約１５分後に、表面２４ｂに位置する根２ｂに水分がしみていることを、目視で確認した。つまり、根２ｂの表面沿いに、水滴２１が撥水砂層１を通過して、表面２４ａから表面２４ｂに移動したことを観察できたと考えられる。
【００９７】
約２時間後に、表面２４ｂに、水滴が形成された。約６時間後に、表面２４ａの水滴２１は、全て消滅した。
【００９８】
保水層３を有しなくとも、水分は撥水砂層１中を根２ｂに沿って移動可能であることが確認された。また、鉛直方向下向き以外の方向でも、水分は撥水砂層１中を根２ｂに沿って移動可能であることが確認された。
【００９９】
＜その他の効果＞
保水層３は外部を他の構成で覆われていないため、図３及び４の実験からもわかるとおり、保水層３の水分は蒸発する可能性がある。水分が蒸発した保水層３は、通常砂等の粒子のみで構成されている。その粒子の間を気体が通過することができる。また、撥水砂層１中は液状の水分透過は困難であるが、撥水砂層１中を気化した水分等の気体は容易に通過することが予想されている。
【０１００】
一般的には、植物が育成する際には、根に水分に加えて、気体を供給することも求められる。例えば、根に水分を供給するために、根の周囲を水分で覆っている場合、気体が根に供給されづらくなることが考えられる。しかし、本実施形態の植物育成用土壌は、保水層３から水分が蒸発することにより、撥水砂層１及び保水層３を通過して、植物２ａの育成に必要な空気を根２ｂに供給できることになり、培地として撥水砂層１を使用する効果は非常に大きい。例えば、根腐れ等の生じる心配を低減できる。
【０１０１】
＜保水層の変形例＞
また、通常、保水層３は、所定以上の水を維持しておくことが必要とも考えられる。そのため、実際の植物栽培の際には、保水層３にはポリマー材料等を使用した保水剤を使用する、或いは、保水層３に蒸発を防止する構成が望まれる可能性がある。
【０１０２】
＜撥水砂層の変形例＞
なお、撥水砂層１は、撥水砂のみで形成された層を利用した。撥水砂に所定以下の割合で通常砂を混合した撥水砂層１でも同様の効果が得られると考えられる。
【０１０３】
例えば、約１５０μｍの平均粒径を有する豊浦砂に撥水コーティングを行った撥水砂と、通常砂との質量混合率（％）に応じた水侵入圧の報告がある。
【０１０４】
通常砂が０％の撥水砂層の水侵入圧（ｃｍ）は、−３１．８ｃｍである。通常砂を２５％含む撥水砂層の水侵入圧は、−２３．７ｃｍである。通常砂を５０％含む撥水砂層の水侵入圧は、−１３．２ｃｍである。通常砂を７５％含む撥水砂層は、＋７．０ｃｍである。通常砂１００％の層は、＋１２．０ｃｍである。
【０１０５】
通常の土壌は水を吸収するので、通常土壌の水侵入圧は負圧である。撥水砂に十分な圧力を加えなければ撥水砂に水が浸入できないため、撥水砂の水進入圧は正圧である。
【０１０６】
通常砂を２５％含む撥水砂層は、撥水性能を示すことを意味しており、通常砂を７５％含む撥水砂層は水を吸収することを示している。
【０１０７】
通常砂を２５％含む撥水砂層と通常砂を５０％含む撥水砂層との水侵入圧から考えて、通常砂が３０〜３５％程度以下の撥水砂層しか混合していない場合、つまり通常砂を約３分の１以下含む撥水砂層は、撥水性能を有する。
【０１０８】
よって、撥水砂層１は、撥水砂のみで構成されていなくても、通常砂を約３分の１以下含む撥水砂層も撥水性能を有する。したがって、本実施形態においても、一定以下の通常砂を含む撥水砂層１であっても、同様の効果が得られると考えられる。
【０１０９】
なお、この質量混合率は、撥水コーティング材料、コーティング量、粒子の粒径等にも依存する可能性があるため、一定程度の誤差を有する。
【０１１０】
撥水砂層１は、撥水砂で構成されており、形状を固定しづらいため、図１及び図２のように、理想的な層状等に構成することは、現実的に困難な場合がある。例えば、撥水砂層１と保水層３との界面で、撥水砂層１に通常砂の一部が混合したり、製造時に撥水砂に通常砂が混入しても、本実施形態の効果は得られると考えられる。
【実施例】
【０１１１】
図５Ａ〜図５Ｃ、及び図６Ａ〜Ｃに、実験に用いた土壌を示す。それぞれの土壌で、植物を育成した。
【０１１２】
図５Ａは、撥水砂のみで構成する土壌の断面を示す。図５Ｂは、植物育成土壌の断面図を示す。図５Ｃに、植物育成土壌の変形例の断面を示す。図５Ａ〜図５Ｃは、いずれも水を供給する前の状態を示す。
【０１１３】
図５Ａ〜図５Ｃに示す構造は、メスシリンダ２５に、それぞれ異なる土壌を形成した。メスシリンダ２５は、ガラス製であり、その内壁を撥水コーティングした。これにより、土壌とメスシリンダ２５との内壁を、水分等が移動しないようにした。また、メスシリンダ２５は、２００ｃｃの容量を有していた。図５Ａ〜図５Ｃの土壌に、植物２ａの一例であるニンニク５ａを位置した。
【０１１４】
以下、図５Ａ〜図５Ｃを詳細に説明する。
【０１１５】
図５Ａにおいて、根５ｂを有するニンニク５ａを、根５ｂの最先端がメスシリンダ２５の底面から概ね１７０ｃｃラインに位置するように配置した。このとき、メスシリンダ２５の底面を０ｃｃの位置とする。
【０１１６】
図５Ｂに示す土壌は、撥水砂層１と、その上部に位置する保水層３とを有する。保水層３は、通常砂を用いて構成した。根５ｂを有するニンニク５ａを保水層３の内部に位置した。なお、根５ｂは、撥水砂１に接しないように配置した。
【０１１７】
図５Ｃに示す土壌は、保水層３と撥水砂層１とを交互に配置した土壌であった。メスシリンダ２５の底面から保水層３、撥水砂層１の順に並んでいる。
【０１１８】
具体的には、メスシリンダ２５の１６０〜２００ｃｃの間に、保水層３（第１の保水層）を設けた。１５０〜１６０ｃｃの間に、撥水砂層１（第２の撥水砂層）を設けた。１４０〜１５０ｃｃの間に、保水層３（第２の保水層）を設けた。１４０ｃｃ〜１１０ｃｃの間に、撥水砂層１（第２の撥水砂層）、保水層３（第３の保水層）、及び撥水砂層１（第３の撥水砂層）を上から順に設けた。１１０ｃｃ〜０ｃｃの間に、保水層３Ａ（第４の保水層）を設けた。複数の撥水砂層の間に、保水層３を設けることの有効性は、後述する。
【０１１９】
図６Ａ〜Ｃは、実験開始時から実験開始から約３日後まで、左から順に、時間経過したときの様子を示す。
【０１２０】
図６Ａは、図５Ａに示す土壌でニンニク５ａを育成した時の様子を示す。
【０１２１】
実験開始から約３日後に、ニンニク５ａは撥水砂１から浮き出てしまった。これは、根５ｂの伸長により撥水砂１の反作用によりニンニク５ａが上方に押されたためである。撥水砂１は水分があっても、通常砂のように締め固まる特性は無く、滑り易いことが原因である。
【０１２２】
図６Ｂは、図５Ｂに示す土壌でニンニク５ａを育成した時の様子を示す。図６Ａと異なり、ニンニク５ａは、土壌から浮き出なかった。根５ｂの伸長による反作用は、保水層３の締め固まった砂の硬さと重量が有効に働いたと考えられる。ニンニク５ａは、保水層３内に維持されたまま、根５ｂは伸長した。
【０１２３】
図６Ｃは、図５Ｃに示す土壌でニンニク５ａを育成した時の様子を示す。
【０１２４】
実験開始から約３日後に（図６Ｃの（ｃ）参照）、１４０〜１５０ｃｃの間に設けた第２の保水層３が水分により色変化が確認された。
【０１２５】
つまり、根５ｂは、水分の無い第１の撥水砂層の中を伸長して、第２保水層３にまで到達した。その後、第１の保水層３Ａに含まれていた水分が、根５ｂに沿って、第１の撥水砂層１の中を移動したといえる。
【０１２６】
なお、容器２５の内壁に沿って、水分が移動した形跡はなかった。より深い位置にある撥水砂中に分散して設置された保水層３にまで、多段で構成した状況での本発明の効果を検証するには、より長期間の栽培による評価が必要である。
【０１２７】
以下、水分又は肥料の供給量を低減でき、かつ、植物の根への空気供給を補足説明する。
【０１２８】
図７Ａは、従来の水補給の概念を示し、図７Ｂは、本発明の一例である水補給の概念を示す。図７Ｂに示す土壌は、撥水砂層の内部にも保水層を有する。図７及び図７Ｂにおいて、水分の有無を濃淡で表す。濃い部分は水分を有することを意味し、薄い部分は水分が有さない又は水分が少ないことを意味する。
【０１２９】
図７Ａの従来の土壌は、通常砂２６のみで構成されているため、根がまだ伸張していない領域、或いは、将来も生育しない領域にまで、無駄に水分供給してしまっていた。
【０１３０】
図７Ｂの土壌は、根に沿って、水分が伝わるため、根２ｂの伸張した範囲内のみに水を供給できる。また、根２ｂの成長度から算出される必要最小量の水分量に基づいて、撥水砂中に保水層３を分散して配置することで、根に水分を供給できる。例えば、根の成長度に応じて、複数の保水層の間の距離を決定する。根の成長が早い場合には、複数の保水層の間の距離を大きくし、根の成長が遅い場合には、複数の保水層の間の距離を小さくする。
【０１３１】
ここで、撥水砂中に、複数の保水層３を分散して配置することの有効性を説明する。
【０１３２】
撥水砂層１内に、撥水砂層１の深さ方向に、複数の保水層３が点在（混在とは異なる。）する。または、複数の保水層３は、撥水砂層１を挟んで、複数の層の形状を有する。
【０１３３】
図５Ｃ及び図６Ｃに示す保水層は層状であり、図７Ｂに示す保水層では、点在している。図７Ｂのように、植物２ａの根２ｂが伸長によって撥水砂１内に分散させて設けた保水層３Ａに到達すると、土壌の表面に形成された保水層３に供給された水分が、根２ｂの表面に沿って、撥水砂層１中の保水層３Ａまで根２ｂに沿って移動する。その結果、分散された保水層３から、根２ｂは水分を供給される。
【０１３４】
撥水砂層の内部に位置する保水層３は、２〜３日程度、水分を保持できることが望ましい。
【０１３５】
植物２ａ及び根２ｂも成長し、深さ方向の下方に配置された又は水平方向の横方向に配置された次々に分散された保水層３Ａまで到達する。
【０１３６】
根２ｂの伸長に応じて、必要な水分を分散された保水層３Ａに貯蔵し、その水分によって植物２ａが根２ｂを介して吸収できる。つまり、必要最小限の水分供給により（植物２ａが必要とする適切な量の水分のみを、地表面の保水層３から撥水砂１内に分散された保水層３Ａを介して根２ｂに到達させることにより）、植物２ａを育成できる。
【０１３７】
水分を供給した後は、撥水砂層１は、気化した水分を通過する機能を有する。そのため、根２ｂの表面に沿って流れていた水分の内、分散された保水層３Ａに保水されずに根２ｂに残留した水分に関しては、すぐに撥水砂層１を経由して蒸発して消滅する。
【０１３８】
逆に、根２ｂには、撥水砂層１を経由して、撥水砂層１の上方の保水層３が無い部分から空気が供給されるため、根２ｂが必要とする空気供給も可能である。
【０１３９】
従来の水耕栽培において、植物が必要とする水分と肥料の量に対して、根の存在しない培地にまで水分と肥料とを供給してしまっている無駄な供給に関する課題を有していた。
本実施形態の植物育成土壌は、根を沿って、植物に水分を供給することができるため、根の存在しない位置に水分を供給することを低減できる。
【０１４０】
また、水分と肥料が植物の根の周辺に過剰に残存することによる根への空気供給不足となる課題があった。撥水砂層１中で、植物を育成するため、根に気体を供給しやすくなると考えられる。
【０１４１】
通常、根２ｂへは、水、或いは、水性の肥料の供給以外に、空気の供給が求められるが、通常砂の場合は比較的水はけが良いので、水分が砂中を通過させることを利用しているケースが多い。
【０１４２】
特に、水耕栽培の中でも、砂を培地として使用する場合（砂栽培とも呼ばれている）、水を繰り返し流すことが必要で、フィルタリング後に循環させたりして、多くの非効率的な手段が実施されている。
【０１４３】
しかしながら、第１実施形態の土壌は、水補給は従来よりも低減できるため、同時に、撥水砂層１を経由して、根２ｂに気体を供給することもできる。
【０１４４】
なお、ニンニク５ａは酸性土壌を嫌うので、植える場所に苦土石灰（くどせっかい）を全面散布して耕すことが多い。
【０１４５】
そこで、図７Ａに示す実験で、炭酸カルシウムを最上段の保水層３に混入して実施した。しかし、発根後の根２ｂの生育への影響は特に観察されていない。撥水砂層１の撥水コーティングにクロロシラン系化合物を使用しているため、若干の塩酸成分の残留による酸性化の可能性も懸念されたためである。
【０１４６】
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【０１４７】
本実施形態の植物育成構造及び植物育成用土壌は、種子又は苗の段階から適切な水分を植物に供給でき、植物の根には必要最低限の水分と肥料を供給でき、同時に植物の根への空気供給も可能となる。
【０１４８】
特に、その育成の初期の段階で、つまり種子又は苗の段階で、上層の設けられた保水層により種子又は苗が保持できる。よって、根が撥水砂層内に伸長する際に、その根と撥水砂の摩擦等で生じる植物への反作用が発生するが、反作用で植物が上方外部へ排除されることを防止できる。その結果、水耕栽培を効率を向上できる。
【０１４９】
また、本実施形態の植物育成構造及び植物育成用土壌は、水分供給量を低減できる。また、肥料を供給する場合でも、肥料の排出も低減でき、環境への影響を低減できる。
【０１５０】
また、最新の植物へのストレス付加（水分や肥料の量の増減）による機能性食材の開発や供給のための土壌としても有効であり、植物工場での管理された栽培環境に提要できる。
【産業上の利用可能性】
【０１５１】
本発明の植物育成構造及び植物育成用土壌は、根菜等の植物の育成に有用である。
【符号の説明】
【０１５２】
１      撥水砂層
２ａ    植物
２ｂ、５ｂ    根
３、３Ａ      保水層
４      給水路
５ａ    ニンニク
【図１Ａ】
2013247891.tif 000003
【図１Ｂ】
2013247891.tif 000004
【図１Ｃ】
2013247891.tif 000005
【図１Ｄ】
2013247891.tif 000006
【図２Ａ】
2013247891.tif 000007
【図２Ｂ】
2013247891.tif 000008
【図２Ｃ】
2013247891.tif 000009
【図２Ｄ】
2013247891.tif 000010
【図３Ａ】
2013247891.tif 000011
【図３Ｂ】
2013247891.tif 000012
【図３Ｃ】
2013247891.tif 000013
【図３Ｄ】
2013247891.tif 000014
【図４】
2013247891.tif 000015
【図５Ａ】
2013247891.tif 000016
【図５Ｂ】
2013247891.tif 000017
【図５Ｃ】
2013247891.tif 000018
【図６Ａ】
2013247891.tif 000019
【図６Ｂ】
2013247891.tif 000020
【図６Ｃ】
2013247891.tif 000021
【図７Ａ】
2013247891.tif 000022
【図７Ｂ】
2013247891.tif 000023
【図８Ａ】
2013247891.tif 000024
【図８Ｂ】
2013247891.tif 000025
【図８Ｃ】
2013247891.tif 000026