JP2006325430A - 植物体の重量測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 樹木の重量を非破壊的に測定することができる簡易な方法を提供する。
【解決手段】 植物種ごとに複数の異なる成長段階における根部の静電容量と根部の重量あるいは植物体の総重量とを測定して、それらの間の相関関係を予め導き出しておき、測定対象の植物体の根部の静電容量の測定値に対して上記相関関係を適用することにより、その根部の重量あるいは植物体の総重量を非破壊的に推定することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、樹木等の植物体の重量を測定する方法に関し、特に、植物体の静電容量を測定することによりその重量を測定する方法に関するものである。

植物体の重量を把握することは、植物体の生育状況を知る手がかかりとなるため極めて重要である。例えば、果樹である柑橘類においては、根や葉などの重量が樹の生育状態（樹勢）を知るための手がかりとなり、樹勢の良し悪しにより毎年の果実の生産量を予測することができる。また、重量を知ることで、材木の生育状態や健全性等を診断したり、苗の発育の良否を予測したりすることも可能である。

植物体の根や葉などの重量を計測するには、その植物体を地中から掘り取り解体して重量を計測すれば、正確な計測値が得られるものの、このような破壊的な計測方法では成長し続ける植物体の重量を継続的に計測することはできない。植物体のうち地上部については、機器による計測値を基にその重量を推定することも可能であるが、地中の根などについてはそのような方法で重量を測ることはできない。また、永年性の樹木等の場合には、地中から掘り取るのに多大な労力を要する上に、一度根を掘り取ってしまうと再生できなくなってしまう。このような事情の下、植物体の根や葉などの重量を非破壊的に計測する技術が必要とされている。

従来、地中にある植物体の根の重量を測定するには、植物体の全部又は一部を地中から掘り取り、付着している土を取り除き、ルートスキャナにより細根量を測定する方法（非特許文献１参照）や、掘り取った根を熱風乾燥して重量測定する方法（非特許文献２参照）などが用いられていた。また、地中にある植物体の根群の分布を観察するには、植物体から少し距離を置いた位置に垂直に穴を掘り、植物体の根系を土壌断面に露出させてこれをカメラ等で撮影する塹壕法（非特許文献３参照）などが用いられている。

植物体の根の成長を継続的に測定するには、アクリル、ガラス等でできた透明な管を地中に挿入し、この管を通して地中の根をファイバスコープで観察するミニライゾトロン法（非特許文献４参照）などが用いられている。

一方、植物体の根の成長を非破壊的に観測するには、中性子ラジオグラフィ法（非特許文献５参照）が用いられている。この方法は、植物体を入れた容器に中性子を照射してＸ線フィルムを感光させることにより、根の形状を観測するものである。中性子は水分子に含まれている水素により大きく散乱されるため、植物体の中で水分を多く含む根の部分がフィルム上で浮かび上がって見えることになる。この他にも、植物体の根の成長量を計測する方法として、ＡＥ（Acoustic Emission）法（非特許文献６参照）などが提案されている。ＡＥ法は、物体が破壊され又は変形する時に発生する音に基づく計測方法であり、植物体の根が伸張する際に根端付近から発生する音響パルスを計測することにより、根の成長量が分かる仕組みとなっている。また、植物体の根と大地との間の電気抵抗の測定に基づいて根の観測を行う方法も提案されている（特許文献１参照）。

また、植物の根部の静電容量を測定することにより、根の表面積を算出し、これにより根の深さや広がりを非破壊的に把握する技術が提案されている。これまでに、アルファルファ（非特許文献７参照）、トマト（非特許文献８参照）、ヒマワリ（非特許文献９参照）などの一年生作物について上記技術を適用した例が報告されている。

特開２００２−７１６０８号公報 Morita, S., Jpn J. Corp Sci. 61:101-106, 1992 Box, J.E., Ramseur, E.L., Agron J. 85:1058-1060, 1993 山崎ら、日本作物学会紀事第５１巻：５８４−５９０、１９８２年 Merrill, S.D., Agron J. 84:755-758, 1992 Nakanishi T. et al., Radioisotopes 42:26, 1993 Shimotashiro, T. et al., Plant Prod. Sci. 1:248-253, 1998 Kendall, W.A. et al., Grass Forage Sci. 37:253-256, 1982 Dalton, F.N., Plant and Soil 173:157-165, 1995 Rajkai, K., Agroke’mia e’s Talajtan 51:89-98, 2002

しかしながら、成長する樹木等の植物体の重量を継続的に測定する目的においては、上記した従来の技術には以下のような問題点がある。

上記のルートスキャナ法、乾燥重量を測定する方法、塹壕法は、成長した樹木等の大きな植物体を測定対象とすると、掘り出し作業や測定に多大な労力が必要となる。また、これらの方法は破壊的な測定方法であるため、同じ植物体を継続して測定することはできない。

上記のミニライゾトロン法は、鉛直方向の根の発達を観察するのには適しているが、植物体の根のうちファイバスコープの視野内にある部分のみしか把握することができず、根全体を観察することはできない。

上記の中性子ラジオグラフィ法、ＡＥ法は、いずれも研究室レベルで利用される計測手法であり、特殊な計測用具を必要とするため、圃場にある樹木等に適用するのは困難である。

また、上記の電気抵抗や静電容量の測定に基づく植物体の根の観測方法では、地中にある根の表面積を算出することにより根の広がりや深さを把握するにとどまっており、根の重量を把握するまでには至っていない。また、静電容量の測定による方法は、一年生の草花類には適用された例があるものの、樹木に対して適用された例はない。

上記したように、樹木等の植物体の生育状況を知る手がかかりとして、植物体の重量を把握することは極めて重要であり、非破壊的な測定方法により同じ植物体を継続して重量測定することができるのが望ましい。そこで、本発明は、樹木の重量を非破壊的に測定することができる簡易な方法を提供しようとするものである。

上記解決課題に鑑みて鋭意研究の結果、本発明者は、植物種ごとに複数の異なる成長段階における根部の静電容量と根部の重量あるいは植物体の総重量とを測定して、それらの間の相関関係を予め導き出しておき、測定対象の植物体の根部の静電容量の測定値に対して上記相関関係を適用することにより、その根部の重量あるいは植物体の総重量を非破壊的に推定することができることに想到した。

すなわち、本発明は、植物体の重量を測定する方法であって、植生されている植物体の根部の静電容量を測定し、当該植物について予め求められている根部の静電容量と根部の重量との相関関係に基づいて、前記根部の静電容量の測定値から前記植物体の根部の重量を推定することを特徴とする方法を提供するものである。

本発明は、また、植物体の重量を測定する方法であって、植生されている植物体の根部の静電容量を測定し、当該植物について予め求められている根部の静電容量と植物体の重量との相関関係に基づいて、前記根部の静電容量の測定値から前記植物体の重量を推定することを特徴とする方法を提供するものである。

本発明の植物体の重量測定方法では、植生されている植物体の根部の静電容量を測定し、当該植物について予め求められている根部の静電容量と根部の表面積との相関関係に基づいて、前記根部の静電容量の測定値から前記植物体の根部の表面積を推定することを特徴とする。

本発明の植物体の重量測定方法において、前記植物体の根部の静電容量と根部の表面積との相関関係は、以下の式で与えられていることを特徴とする。

但し、εは誘電率、Ａは根の表面積、ｉは要素数、ｄは根の外半径と内半径の差であるものとする。

本発明の植物体の重量測定方法では、前記植物体が植生されている土壌と前記植物体の地上部とに電極を挿入し、それらの電極間に通電することにより、前記植物体の根部の静電容量を測定することを特徴とする。

本発明の植物体の重量測定方法は、特に、樹木類を測定対象とするものである。

以上、説明したように、本発明の植物体の重量測定方法によれば、植物体の重量を非破壊的かつ簡易な方法により同じ植物体を継続して重量測定することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の植物体の重量測定方法を実施するための最良の形態を詳細に説明する。

本発明の実施形態として、樹木等の植物体の静電容量を測定し、その測定結果に基づいて植物体の根部又は全体の重量を推定する方法について説明する。非特許文献８等によれば、植物体の根部は多数の細胞膜によって隔てられた生物学的なコンデンサの集合体であるとみなすことができる。図１は、このような前提に基づいて植物体及び土壌の電気的な構成を等価回路として示す図である。図１では、植物体の木部と植物体近傍の土壌とに電極を挿入した場合において、両電極間に成立すると考えられる等価回路を示している。

そこで、図２に示すように、上記の両電極にＬＣＲメータを接続して植物体の静電容量を測定することとした。ここで、土壌に挿入する電極は、サビ防止のためステンレス製の棒などを用いるのがよい。また、植物体の木部に挿入する電極は、ステンレス製の釘などを用いるのがよい。それぞれの電極は、後述するように測定上適切な位置に挿入するものとする。ＬＣＲメータの測定周波数や土壌の状態等についても、後述するように測定上適切な測定条件を整えて測定を行うものとする。

図１に示す等価回路において、土壌電極間の抵抗Ｒｓｅ及び静電容量Ｃｓｅ、土壌の抵抗Ｒｓ、木部の抵抗Ｒｘ、電極木部間の根部の抵抗Ｒｅｐ及び静電容量Ｃｅｐが予め分かっていれば、ＬＣＲメータの測定値から根部の抵抗Ｒｒ及び静電容量Ｃｒの値を算出することができる。

非特許文献８等によれば、植物体の根部の静電容量Ｃとその表面積との間には下記の式で示す関係が成立する。

したがって、静電容量Ｃを測定することにより、根部の表面積を算出することができる。また、植物種ごとに根量と地上部量には相関があるため、静電容量Ｃの測定値から植物バイオマス総量を推定することもできる。

また、本発明では、植物体の根部の静電容量Ｃの測定値から当該根部の重量あるいは当該植物体の総重量を推定する。これは、植物種ごとに根部の静電容量と根部の重量あるいは植物体の総重量との間に相関関係があることを利用するものである。すなわち、植物種ごとに複数の異なる成長段階における根部の静電容量と根部の重量あるいは植物体の総重量とを測定して、それらの間の相関関係を予め導き出しておき、測定対象の植物体の根部の静電容量の測定値に対して上記相関関係を適用することにより、その根部の重量あるいは植物体の総重量を非破壊的に推定することができることになる。この相関関係を導き出す方法については後述する。

電極の挿入位置
露地栽培されている温州ミカン樹（品種：宮川早生）を用いて、ＬＣＲメータの電極の適切な挿入位置を調べる実験を行った。土中に挿入する側の電極として鉄棒（長さ50cm、直径6mm）を用い、樹に打ち込む電極として鉄釘（長さ4.6cm）を用いた。鉄棒を土中に挿入する深さ（ｄ）、鉄棒の挿入位置から樹までの距離（ｌ）及び樹に釘を打ち込んだ位置の地表からの高さ（ｈ）のそれぞれについて、値を段階的に変化させながらＬＣＲメータにより静電容量を測定した。この測定結果のグラフを図３に示す。図３のグラフにおいて、深さ（ｄ）及び距離（ｌ）に関しては、0cmから40cm程度まで変化させても静電容量の値の変化は5%未満にとどまっている。ところが、高さ（ｈ）に関しては、値が大きくなるほど静電容量の値が小さくなっている。尚、図３において、静電容量の値は、深さ（ｄ）、距離（ｌ）及び高さ（ｈ）のそれぞれが0cmの時の測定値を100%として相対値表示している。

図３に示す測定結果から、本実験例では、樹に釘を打ち込む位置は、地表（接木部）から約5cmの高さとすればよいことが分かる。

測定周波数
周波数が可変のＬＣＲメータを用いて、測定周波数を変化させながら、直径約50cmのポット植の温州ミカン（品種：興津早生、二年生）の静電容量を測定した。この測定結果のグラフを図４に示す。図４のグラフにおいて、測定周波数が高くなるほど、測定される静電容量は小さくなることが分かる。一般的な携帯型の周波数可変ＬＣＲメータでは、120Hzと1KHzの２つの周波数を用いて測定するものが多いが、この場合、1KHzで測定するのが望ましい。

根の重量、樹体の総重量と静電容量との関係
ポット植の温州ミカン樹（品種：興津早生）を用いて、根の重量と静電容量との関係性を調べる実験を行った。土中に挿入する側の電極として鉄棒（長さ50cm、直径6mm）を用い、樹に打ち込む電極として鉄釘（長さ4.6cm）を用いた。鉄棒は樹の幹から17cm離れた位置に土中深さ20cmまで挿入し、鉄釘は地表から高さ5cmの位置に打ち込んだ。ＬＣＲメータを用い、周波数1KHzで樹の根部の静電容量を測定した。その後、樹を掘り出して解体し、根部を熱風乾燥して乾燥重量を測定した。この静電容量及び乾燥重量の測定を、複数の成長度合いの異なる樹に対して行った結果を図５に示す。図５のグラフにおいて、樹の根部の静電容量と乾燥重量との間には高い相関関係があることが分かる。

また、露地栽培の極早生温州ミカン樹を用いて、樹全体の重量と静電容量との関係性を調べる実験を行った。土中に挿入する側の電極として鉄棒（長さ50cm、直径6mm）を用い、樹に打ち込む電極として鉄釘（長さ4.6cm）を用いた。鉄棒は樹の幹から30cm離れた位置に土中深さ20cmまで挿入し、鉄釘は接ぎ木部から５cm上部の位置に打ち込んだ。ＬＣＲメータを用い、周波数1KHzで樹の根部の静電容量を測定した。その後、樹を掘り出して解体し、樹体を熱風乾燥して乾燥重量を測定した。この静電容量及び乾燥重量の測定を、複数の成長度合いの異なる樹に対して行った結果を図６に示す。図６のグラフにおいて、樹の根部の静電容量と乾燥重量との間には高い相関関係があることが分かる。

図５及び図６に示す測定結果から、本発明の方法により植物体の重量測定を行うにあたっては、事前に複数の成長度合いの異なる樹を用意し、静電容量と根部又は樹全体の重量との関係性（例えば、図５及び図６に示す検量線など）を導き出しておけば、それに基づいて静電容量の測定値から根部又は樹全体の重量を推定することが可能となることが分かる。

土壌水分含量と静電容量との関係
ポット植の温州ミカン樹（品種：大津４号、五年生）を用いて、土壌水分含量と根部の静電容量との関係性を調べる実験を行った。まず、樹に十分潅水した後、潅水を全く行わない状態での土壌水分含量及び根部の静電容量を経時的に測定した。土壌水分含量の測定は、ＴＤＲ土壌水分測定器を用いて行った。この測定結果を図７に示す。図７のグラフにおいて、土壌が乾燥するに従い根部の静電容量も減少しているが、ある程度の時間が経過すると静電容量は下げ止まっていることが分かる。

上記と同じポット植の樹を乾燥させた後、ポット植ごと水槽の中に入れた状態での土壌水分含量及び根部の静電容量を経時的に測定した。この測定結果を図８に示す。図８のグラフにおいて、水槽の中に入れられたポット植は、土壌水分が徐々に増加するのに伴い根部の静電容量も徐々に増加しているが、静電容量の増加は土壌水分の増加よりもやや遅れていることが分かる。

図５及び図６に示す測定結果から、本発明の方法により植物体の重量測定を行うにあたっては、一度土壌に十分な潅水を行った後、十分な時間が経過したものを測定対象とすべきであることが分かる。

以上、本発明の植物体の重量測定方法について、具体的な実施の形態を示して説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。当業者であれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、上記各実施形態又は他の実施形態にかかる発明の構成及び機能に様々な変更・改良を加えることが可能である。

本発明の植物体の重量測定方法は、果樹や材木などの成長性、健全性等を非破壊的にかつ継続的に診断する方法として産業上利用することができる。

植物体内の電気的な構成を等価回路として示す図である。 植物体の木部と植物体近傍の土壌とに電極を挿入し、それらの電極にＬＣＲメータを接続して植物体の静電容量を測定する方法を示す図である。 実施例において、鉄棒を土中に挿入する深さ（ｄ）、鉄棒の挿入位置から樹までの距離（ｌ）及び樹に釘を打ち込んだ位置の地表からの高さ（ｈ）のそれぞれの値を変化させた場合の根部の静電容量の測定結果のグラフを示す図である。 周波数が可変のＬＣＲメータを用いて測定周波数を変化させながら静電容量を測定した結果のグラフを示す図である。 ＬＣＲメータを用いて樹の根部の静電容量と根部の乾燥重量とを測定した結果のグラフを示す図である。 ＬＣＲメータを用いて樹の根部の静電容量と樹体の乾燥重量とを測定した結果のグラフを示す図である。 樹に潅水を全く行わない状態での土壌水分含量及び樹の根部の静電容量を経時的に測定した結果のグラフを示す図である。 ポット植の樹を乾燥させた後、ポット植ごと水槽の中に入れた状態での土壌水分含量及び樹の根部の静電容量を経時的に測定した結果のグラフを示す図である。

Claims (6)

1. 植物体の重量を測定する方法であって、
   植生されている植物体の根部の静電容量を測定し、当該植物について予め求められている根部の静電容量と根部の重量との相関関係に基づいて、前記根部の静電容量の測定値から前記植物体の根部の重量を推定することを特徴とする方法。
2. 植物体の重量を測定する方法であって、
   植生されている植物体の根部の静電容量を測定し、当該植物について予め求められている根部の静電容量と植物体の重量との相関関係に基づいて、前記根部の静電容量の測定値から前記植物体の重量を推定することを特徴とする方法。
3. 植生されている植物体の根部の静電容量を測定し、当該植物について予め求められている根部の静電容量と根部の表面積との相関関係に基づいて、前記根部の静電容量の測定値から前記植物体の根部の表面積を推定することを特徴とする方法。
4. 前記植物体の根部の静電容量と根部の表面積との相関関係は、以下の式で与えられていることを特徴とする請求項３に記載の方法。
   

   

   但し、εは誘電率、Ａは根の表面積、ｉは要素数、ｄは根の外半径と内半径の差であるものとする。
5. 前記植物体が植生されている土壌と前記植物体の地上部とに電極を挿入し、それらの電極間に通電することにより、前記植物体の根部の静電容量を測定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記植物体が樹木類であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。

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