J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 133, p.43 ∼ 44 (2016)

学部生向け土壌物理実験における試行錯誤
坂口

敦1

山口の坂口です．山口大学 · 大学院創成科学研究科

電磁弁を取り付けてから，電磁弁にリレーを接続します．

（≒農学研究科）の助教に着任して 2 年弱が経過いたし

Arduino からの出力では電磁弁を作動させるだけの電力ました．今回は，私が学部で担当している 3 講義の中のを供給できないのでリレーを挟みます．ここまでは講義

1 つである学部 3 年生向け土壌物理実験における私の試前に用意しておいて，講義開始時に学生達に配布します．

行錯誤を紹介させて頂きます．尚，本学では農地環境工

学生は，まず自身のノート PC（山口大学では全学生が学実験と称しております．本学では作物学，園芸学，昆ノート PC を所有しなければならない）に Arduino IDE

虫学などのいわゆる農学分野の研究室から構成される生（C 言語で書かれたプログラムをコンパイルして USB

物生産学科の中に，孤島のように農業土木分野の農地環ケーブル経由で Arduino に送信するためのソフトウエ

境工学研究室が存在しています．学生は生物学に関心をア）をインストールします．そして，私が書いた 10 秒持っており，物理学や数学は最も嫌がられております．

おきに電磁弁の開栓と閉栓を繰り返すスケッチ（= プロ

この状況において，土壌物理学は全くのアウエー戦を強グラム）を Arduino に送信させます．あとは私の指示通いられます．そこで，私は学生に畑地における作物栽培りにリレーと Arduino 間をジャンプワイヤで配線すればの実験と思わせておいて，いつの間にか物理学や数学をマイクロエミッターからの間断灌水が始まるのですが，使わせる戦法をとっています．

次に学生は練習問題として間断間隔を 20 秒に変更せね

まず，土壌の pF 値ですが，テンシオメータで計測すばなりません．この練習問題を達成できた学生は，間断るだけでは生物学サポーター達の関心を引くことはでき灌水スケッチを pF 値に応じて自動灌水するスケッチにません．そこで，pF 値に応じた自動灌水システムを学生書き換え，スケッチ内で自身が指定した Arduino 端子と達自身に作らせて，乾燥したビニールハウス内で自動灌負圧センサおよびリレー間をジャンプワイヤで配線しま

水システムによる小松菜栽培を体験してもらうことにいす．Arduino のどの端子を何の役割に使用するかは自由たしました．自動灌水開始 · 停止の閾値とする pF 値はです．選択の幅が広いと学生は面白がります．実際，学学生に自由に考えてもらうのですが，pF 1.1 を閾値とし生ごとに使用した端子はバラバラでした．最後に自動灌た学生の小松菜は常に湿地状態にあり，苗を植えて 1 週

水のスケッチおよび配線が正しいかを動作確認によって間後に状況を観察した際には pF 1.5 ∼ 1.8 を閾値とした

確かめるのですが，水没させておいたテンシオメータの学生の小松菜の半分程度の LAI（葉面積指数）しかあり素焼管部分を乾いた雑巾で覆って，ノート PC のシリアませんでした．同様に pF 2.0 を閾値とした学生の小松菜

ルモニターで 10 秒ごとに pF 値が刻々と大きくなってゆの LAI も半分程度でした．この体験により，pF 値を灌く様を見ながら，自身が指定した pF 値に達したところ

水の指標として使うことができることを実感してもらいで灌水が始まり，また水没させるとモニターの pF 値はました．先に pF 値という作物栽培上の指標に関心を持低下し灌水も停止すれば完成です．農学部でもプログラたせることで，なぜ体積含水率を指標とすることができミングの講義はありますが，PC モニター内で自身が書ないのかと問うた時には，学生は自ら吸引圧という物理いたプログラムが走っても物理 · 数学嫌いの本学科の学学上の理論を用いて議論しておりました．

生はたいして興味を持ってくれません．しかし，自身がでは，講義内容を説明します．通常のテンシオメー書いたプログラムが現実世界で動くと（灌水の開始 · 停

タにセンシズ社製の負圧センサ（入力 3.0 – 5.0V，出力止），さすがに面白がってくれました．完成した自動灌0.1 – 1.1V）を取り付けます．自動制御用のマイコンに水システムをビニールハウス内に設置して小松菜の苗をは Arduino Rev. 3 を用意します．あとは灌水用のマイク

植えれば終了ですが，設置後，すぐに灌水が始まると歓ロエミッター（小型スプリンクラー）のホースの途中に声が沸くので，ビニールハウス内の土壌をなるべく乾燥させておくようにしています．

1 山口大学

大学院創成科学研究科
2016 年 5 月 13 日受稿 2016 年 5 月 20 日受理

もう一つ紹介させて頂きたいのが，HYDRUS による44

土壌の物理性第 133 号

(2016)

コンピュータシミュレーションです．シミュレーション

が，凄く頭の良い事をしている気がするとの感想でした

もコンピュータという道具を用いた実験ですので，土壌（今では昔とは逆に DOS 画面がカッコイイらしい）．次

物理実験に組み入れております．FEM（有限要素法）やに，上記のシナリオに作物生育を追加してもらいます．

解法は学部 3 年生には難しすぎるので説明していません

根の吸水モデルには Feddes モデルを指定していますが，が，van Genuchten 式や計算の初期条件などは説明して作物は Feddes モデルのデータベースから自由に選んでおり，議論をすると学生が理解できている事が伺えましもらいます．LAI と根長を設定する必要もありますが，た．van Genuchten 式については，「人間は水分特性曲線

学生がどの作物を選んでも対応できるように多くの作物を目で見る事ができるけど，コンピュータは目が無いかの LAI と根長の一覧表を配布しています．そして，再度ら見る事ができない．どうすれば土壌水移動の計算に必シミュレーションを実行してもらい，根の吸水量 = 蒸

要な水分特性曲線の形をコンピュータに伝える事ができ散量の経時変化と根圏の pF 値の経時変化（エクセルでるだろうか」と問うて，まずは van Genuchten 式の必要吸引圧から算出）を見てもらいます．そして，エクセル性を理解してもらっています．しかし，やはり生物学的のフィルタ機能で 2011 年から 2015 年の 5 年間で湿害要素を持たせないと飽きられてしまうので，自由に作物と干ばつ害が生じた日数をカウントしてもらいます．こを選んでシミュレーション内で栽培してもらうようにしれで学生は根圏の pF 値の経時変化や表面流出水の有無，ています．実際に，学生が一番楽しそうなのは自身が栽湿害や干ばつ害の程度を推定できるようになり，気候変培する作物を選ぶ時です．男子学生は風変わりな作物を選ぶ傾向があり，女子学生はイチゴを植えたがる傾向が動影響を評価する準備が整いました．さて，本題の気候変動影響予測ですが，本題は宿題とし，ELPIS-JP の山口あります．また，2091 年までの日本各地の日単位気象気象台の気象データ（あらかじめ Penman-Monteith 式にシナリオである ELPIS-JP（Iizumi T. et al. (2012): Phil.

より基準蒸発散量に変換しておく）を配布して，2086 年Trans. R. Soc. A, 370: 1121–1139）を用いて，身近な山から 2090 年の 5 年間のシミュレーションを自宅で行っ

口県の農地に気候変動がどのような影響を及ぼすかを予てもらっています．そして，2011 年から 2015 年の 5 年測する事を最終目標にしています．論文発表をする訳で間のシミュレーション結果と比較する事で，季節別の根はないので予測精度は不十分でも構わないし，HYDRUS

圏 pF 値，表面流出，湿害，干ばつ害にどのような変化がを用いてできる事で一番学生の興味を引けるテーマでは起きたかをレポートとして提出してもらっています．こないでしょうか．の作業を通じて HYDRUS に興味を持ってもらう事と，では，講義内容を説明します．学生は，まず自身のノー難しそうだが実は自分でも使えるという自信を持ってもト PC に HYDRUS-1D をインストールします．そして，らう事をねらいとしています．講義中に勝手に栽培時期あらかじめ配信しておいた現在の山口気象台の気象デーを少しずつずらして，土壌水分上の栽培適期を探っていタ（降水量と基準蒸発散量）を用いて現在の山口市の裸る学生がいましたが，既に HYDRUS に嵌っている様子

地を対象としたシミュレーションを行ってもらい，降雨でした．

日や晴天が続いた期間に土壌水分がどのように変化し紙面の都合上，2 例しか紹介できませんでしたが，上たか，また表面流出水が発生したかを見てもらいます．

述のような創意工夫で物理 · 数学嫌いの生物生産学科のDOS 画面に切り替わり計算が始まると歓声が沸きます

学生をこっちの世界に引き込んでいます．