JP2006345768A - 蒸発散量算定方法および灌水制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】植物群落からの蒸発散量を正確で容易に測定する方法、また得られた植物群落からの蒸発散量に応じてその灌水を容易に制御できる方法を提供する。
【解決手段】植物群落からの蒸発散量を求める方法であって、前記植物群落上へ到達する放射量と、前記植物群落から天空へ向かう放射量とを測定して、これらの放射量の差から純放射量を求め、得られた前記植物群落から天空へ向かう放射量に放射伝熱式を当てはめて、前記植物群落の表面温度を算定し、前記植物群落上での風速および気温を測定し、算定された前記植物群落の表面温度と測定された前記植物群落上での気温とからその温度差を求め、前記風速または前記温度差の関数として近似することにより対流伝熱係数を求め、前記対流伝熱係数と温度差とから熱収支式の顕熱項を算定し、前記純放射量と蒸発の潜熱とから蒸発散量を求める。
【選択図】 図１

Description

本発明は、植物群落からの蒸発散量を非破壊・非接触で測定する方法、及びそれに基づいて植物への灌水を制御する方法に関するものである。

従来の植物へ灌水する方法としては、タイマーを用いて一定の時間間隔をもって灌水する、土壌水分を測定してその土壌が乾燥したら灌水する、などの方法が行われてきた。しかしながら、天候は一定の時間間隔で変化するものではないため、タイマーによって規則的な時間間隔をあけて潅水する方法は適正なものとは言えず、ある時は日射が強くて植物が水分を必要としていても、まだその時間になってないということで灌水が行われないとか、逆に曇りの日などで蒸発散量が少ないにもかかわらず、時間がきたことで灌水が行われるとかの問題点が生じていた。

土壌水分を測定すれば、その場所での土壌の乾燥の程度はつかめるが、土壌水分の場所によるバラツキは大きく、広い植物群落全体で土壌水分を測定することは不可能である。したがって、いくつかの特定の場所における土壌水分の測定になるが、これでは植物群落全体の情報を得ることにはならない。

本発明に関連して、過去の特許文献の調査を行ってみた。
それによると、平成５年以降の文献で、蒸発散に関するものが２８件あったが、その測定法に関するものは見つからなかった。
また、平成５年以降の文献で、灌水制御に関するものが１９件あったが、そのうちの５件が、土壌水分・土壌温度・土壌ｐＦ値を測定して、それに基づく制御を行うものであり、蒸発散量を指標にしたものは見つからなかった。

次にそれら５件の特許文献を示す。
特開２００２−３１５４５６号公報 特開２００２−６５０８６号公報 特開平０９−１４９７３７号公報 特開平０５−２９２８４３号公報 ＰＣＴ／ＪＰ００／０９０９０号 このほかの特許文献には、指標となる項目（土壌水分または蒸発散量など）の測定は含まれていない。

さらに、欧米では、植物や土壌が乾燥する大きな要因である日射量に着目して、その日射量を測定し、それを指標として灌水する方法が行われている。しかしながら、蒸発散量は日射量だけによるものではないので、これでは正確な灌水制御を行うことができない。

そこで、最近欧米では Penman-Montheith式 に基づく蒸発散量の測定に関する研究が盛んに行われている。また、それによる灌水制御も提案されている。これらに関して種々の文献が発表されており、ここではその中からいくつかを選んで、非特許文献として次に掲載する。

Boulard, T., Jemaa, R., and Baille, A., 1997: Validation of a greenhouse tomato crop transpiration model in Mediterranean conditions. Acta Horticulturae, 449, 551-559. Jones, H. G., 1992: Plants and Microclimate. A quantitative approach to environmental plant physiology (2nd Edition). Cambridge Univ. Press, 428pp. Kittas, C., Katsoulas, N., and Baille, A., 1999: Transpiration and canopy resistance of green house soiless roses: Measurements and modeling. Acta Horticulturae, 507, 61-68. Montheith, J. L. and Unsworth, M. H., 1990: Principles of Environmental Physics (2nd Edition). Edward Arnold, 291pp. Pollet, S. and Bleyaert, P., 2000: Application of the Penman-Monteith model to calculate the evapotranspiration of head lettuce (Lactuca sativa L. var. capitata) in glasshouse conditions. Acta Horticulturae, 519, 151-161. Willits, D. H., 2003: The Penman-Monteith equation as a predictor of transpiration in a greenhouse tomato crop. ASAE Paper No. 034095, 5pp. Zolnier, S., Gates, R. L., Geneve, R. L., and Buxton, J. W., 2003: Evapotranspiration-based misting control for poinsettia propagation. Trans. ASAE, 46, 135-145. Zolnier, S., Lyra, G. B., Gates, R. S., 2004: Evapotranspiration estimates for greenhouse lettuce using an intermittent nutrient film technique. Trans. ASAE, 47, 271-282.

このPenman-Montheith式を用いた場合には、測定項目は、純放射量／気温／湿度のほかに、パラメータとして、対流伝熱係数／空気線図上の水蒸気勾配／群落の気孔抵抗を含む蒸発散抵抗、を決定しなければならない。

パラメータである水蒸気勾配は温度により変化し、また同じく蒸発散抵抗は個々の植物群落や土壌水分条件によって異なり、さらに気候条件によっても変化するので、簡単に測定できるものではない。文献ではすべて、事前に対象となる植物群落でこれらのパラメータを求めたもの、あるいは他の植物群落で測定したものをモデル化して用いているが、気候条件や土壌水分は時間とともに変化するものであり、このような手法では十分な精度は望めない。

従来の方法によれば、植物群落からの蒸発散量を容易に測定することはできず、得られたとしてもそのデータが信頼性に乏しいという問題点があった。
本発明では、植物群落からの蒸発散量を正確で容易に測定することができる方法を提供すること、また、得られた植物群落からの蒸発散量に応じて、最適な灌水量を算出してその灌水を制御することができる方法を提供することを課題としている。

本発明は、植物群落からの蒸発散量を求める方法であって、
基本となる植物群落上の熱収支式
｛純放射｝ ＝ ｛顕熱項｝ ＋ ｛潜熱項｝ ＋ ｛地中伝熱項｝
ここで、
｛純放射｝ ＝ ｛上面の放射｝ ― ｛下面の放射｝
｛顕熱項｝ ＝ ｛対流伝熱係数｝ｘ（群落表面温度 ― 気温）
｛潜熱項｝ ＝ ｛蒸発の潜熱｝ｘ｛蒸発散量｝
を用いる。
前記植物群落上へ到達する下向きの放射量（上面センサーで受ける放射）と、前記植物群落から天空へ向かう上向きの放射量（下面センサーで受ける放射）とを測定して、これらの放射量の差から純放射量を求め、得られた植物群落から天空へ向かう放射量と前記植物群落の表面温度との関係から表面温度を算出する。
また、前記植物群落上での風速および気温を測定し、植物群落が温室内にあれば、算定された前記植物群落の表面温度と測定された前記植物群落上での気温とからその温度差を求め、その温度差の関数として対流伝熱係数を求め、植物群落が屋外の場合は、風速の関数として対流伝熱係数を求め、温度差との積から熱収支式の顕熱項を算定する。

群落表面温度は、理想的には得られた前記植物群落から天空へ向かう長波放射量に下記の放射伝熱式（ステファンボルツマンの法則）を当てはめて、求められるが、使用する長波放射センサーによっては事前に対象物の表面温度とセンサー出力の検定曲線を求めておく必要がある。
{下面の長波放射量}＝射出率×ステファンボルツマン定数×{群落表面温度}^４

前記対流伝熱係数と温度差とから熱収支式の顕熱項を算定する。
植物群落が屋外の場合は、対流伝熱係数は風速の関数とし、植物群落が温室内であれば、対流伝熱係数は温度差（気温と植物群落表面温度）の関数として近似する。
それぞれの関係式、温度差と対流伝熱係数、あるいは風速と対流伝熱係数の関係式はすでに多くの文献に報告されているものを用いるか、実測により求めたものを用いる。実測による場合は、対象となる植物群落において、ある期間蒸発散量を測定すれば、前記の熱収支式より対流伝熱係数を求めることが出来る。
対流伝熱係数がわかれば、前記熱収支式で、顕熱項が求まる。さらに地中伝熱項は他項に比較して無視できるので、純放射項と顕熱項が既知となると、潜熱項のみが未知数となる。潜熱項は蒸発の潜熱（定数とみなせる）と蒸発散量の積であるので、これのことから蒸発散量が求まる。

また、本発明の蒸発散量の算定方法において、
前記放射量の測定では、日射量の測定と常温物体からの長波放射をとらえる必要があり、別々のセンサーで計測することが望ましい。日射量の測定には少なくとも波長域０．４〜１．１ミクロンメータに感度があるフォトダイオード、長波放射の測定には少なくとも８〜１４ミクロンメータに十分な感度があるサーモパイルを用いる。
放射量の測定には図２に示すように、２種類の方法があるが、(a)の方法では下からの放射は短波（日射が植物群落での反射されたもの）と長波（植物群落からの温度放射）を１つのセンサーで測ることになり、誤差が大きくなるので、方式(b)を採用する。
長波放射センサーの波長感度域は日射がほとんど含まれない５ミクロンメータ以上に限定する。

さらに、本発明では、前記の蒸発散量の算定方法を用いた灌水制御方法とすることができる。
植物および土壌への最適な灌水は蒸発散によって失われたと同じ量だけ行うのが理想であり、前記の蒸発散量の算定方法を用いて、灌水が必要な植物群落についての蒸発散量を含む関連するデータを取得し、前記データに基づいて前記植物群落への灌水を制御する、ことを特徴とする灌水制御方法とした。

本発明による方法では、その測定項目は、天空からの放射量と植物群落からの放射量、気温、風速となり、パラメータとしては、風速あるいは温度差の関数としての対流伝熱係数だけとなる。
そして、天空からの放射量と植物群落からの放射量を測定することにより、純放射量は容易に算出でき、必要な植物群落の表面温度も算出できる。
また、本発明による方法によれば、すべての測定器を植物群落上に配置することで、植物群落全体の平均値をとらえることができる。
さらに、蒸発散量の算出に必要なすべての量は、対象とする植物群落でのリアルタイムの測定量である。

本発明による方法によれば、植物群落からの蒸発散量を正確で容易に測定することができ、また、得られた植物群落からの蒸発散量に応じて、最適な灌水量を算出して灌水を制限することができる。

つぎに、本発明の実施の形態を、添付の図１〜図５を参照して、詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態を説明するための図であり、植物群落からの蒸発散量測定のための測器配置の概略図である。図２は使用する放射センサーの詳細である。また、図３は同じく、本発明による方法で唯一のパラメータである対流伝熱係数を風速の関数として求めた図である。そして図４と５は、本発明の方法で算定した蒸発散量と精密天秤で測定した蒸発散量とを比較した図である。

通常、植物群落は植物と土壌表面から成り立っており、植物葉からの蒸散と土壌表面からの蒸発により、水分が大気中に消失する。したがって、植物体内に必要な量の水分を維持するためには、必要に応じて灌水を行うことが重要である。この植物群落からの蒸発散量を測定できれば、それに応じて最適な灌水量を算出でき、過不足なく灌水することが可能となる。植物群落からの蒸発散量を測定する本発明の方法について、以下に説明する。

図１は、本発明の一実施形態にかかる図であり、熱収支式から蒸発散量を算定するため必要な、気象要素を測定するのに用いられる測定手段を模式的に示した図である。この図１に示す測定装置は、上向きの日射センサー１と長波放射センサー３、下向きの日射センサー２と長波放射センサー４（その詳細は図２）、風速計５、気温測定用温度計６をその構成要素として備え、土壌２０上にある植物群落７の中に配置される。
この測定装置においては、植物群落７上の適当な高さに設置された放射センサー１と３により上方(天空)から降りてくる放射量を日射量と長波放射量とを別々に測定し、また、放射センサー２と４により下方(土壌)からの日射の反射量と長波放射量を別々に測定する。そして、風速計５により風速を測定し、温度計６により気温を測定する。

このとき、設置される測定装置の高さ(位置)は、植物群落７上から１ｍ前後とするとよいが、あまり植物群落７に近すぎると、下側にある下向きの放射センサー４の視度が狭くなって、植物群落７全体の平均値を得ることができなくなる。

図１の測定装置に用いられる放射センサー(１,２,３,４)は、短波長と長波長の両方を十分な感度で測定できるのもで、日射センサーとしては、波長域は少なくとも０．４〜１．１ミクロンメータに十分な感度をもつものでなければならない。長波放射センサーとしては、波長域は少なくとも８〜１４ミクロンメータに十分な感度をもつものでなければならないが、日射を感知しないことが望ましいので、感度は５ミクロン以上のものとするとよい。
また、風速計５は通常のものでよいが、１ｍ/ｓ 以下の風速も測定できるものが望ましい。
さらに、気温測定用の温度計６は通常のものでよいが、日射の影響を受けないように工夫されたもので、最低０.２℃の精度であることが望ましい。

図２の測定装置では、上向きの放射センサーは日射センサーと長波放射センサー、下向きの放射センサーは日射センサーと長波放射センサーからなっている。これら４個の放射センサー出力の差から純放射量が求めることができる。また、下方向きの放射センサー４の長波放射センサーの出力と対象物の表面温度の関係から、植物群落表面温度が求められる。

また、あらかじめ求められている対流伝熱係数と植物群落表面温度と気温との温度差から顕熱伝達項が求めることができ、地中電熱量を無視すれば、最終的には純放射量から植物群落からの蒸発散量が求められる。

また、対流伝熱係数と気象条件との関係は過去の文献にも多く報告があるが、屋外など一定な風速があるところでは、風速の関数として、また、室内など自然対流が主のところでは気温と表面温度との温度差の関数として表すことができるので、文献によるか、実測することにより求める。

図３に植物群落が屋外にある場合の風速と対流伝熱係数の関係を示したものである。今回は天秤で測定した蒸発散量をベースに風速と対流伝熱係数の関係を求めたものである。

図３で求めた対流伝熱係数を用いて、顕熱項を算定し、さらに純放射量と蒸発の潜熱から最終的に蒸発散量が求まる。図４と図５はこのようにして求めた蒸発散量と精密天秤上におかれたポット植えの植物全体の減量から求めた蒸発散量を比較したものである。
図４と５の蒸発散量は比較的によく一致している。

本発明の方法によれば、植物群落からの蒸発散量を正確で容易に測定することができ、また、得られた植物群落からの蒸発散量に応じて、最適な灌水量を算出してその灌水を制御することができ、農作物、花、植物などの育成や生産などに関わる産業分野での利用可能性は極めて大きい。

本願発明の一実施形態を説明するための図であり、植物群落からの蒸発散量測定のための測器配置の概略図である。 本願発明の放射センサーの詳細図である。 本願発明の測定方法において、唯一のパラメータである対流伝熱係数を風速の関数として実測して求めた図である。 土壌水分が十分な時の本願発明による測定方法によって算定した蒸発散量と精密天秤で測定した蒸発散量を示す図である。 土壌がかなり乾燥した状態での本願発明による測定方法によって算定した蒸発散量と精密天秤で測定した蒸発散量を示す図である。

符号の説明

１ 日射センサー
２ 長波放射センサー
３ 日射センサー
４ 長波放射センサー
５ 風速計
６ 気温測定用温度計
７ 植物群落

Claims (3)

1. 植物群落からの蒸発散量を求める方法であって、
   基本となる植物群落上の熱収支式を、
   ｛純放射｝ ＝ ｛顕熱項｝ ＋ ｛潜熱項｝ ＋ ｛地中伝熱項｝
   ここで、
   ｛純放射｝ ＝ ｛上面の放射｝ ― ｛下面の放射｝
   ｛顕熱項｝ ＝ ｛対流伝熱係数｝×（群落表面温度 ― 気温）
   ｛潜熱項｝ ＝ ｛蒸発の潜熱｝×｛蒸発散量｝ とし、
   前記植物群落上へ到達する下向きの放射量と、前記植物群落から天空へ向かう上向きの放射量とを測定して、これらの放射量の差から純放射量を求め、
   前記純放射量を基準として、蒸発散量を含む前記熱収支式を用いて、植物群落からの蒸発散量を求める、ことを特徴とする蒸発散量の算定方法。
2. 請求項１に記載の蒸発散量の算定方法において、
   前記放射量の測定では、日射量の測定と常温物体からの長波放射を分けてとらえる必要から、別々のセンサーで計測する、ことを特徴とする蒸発散量の算定方法。
3. 請求項１又は２に記載の蒸発散量の算定方法を用いた灌水制御方法であって、
   植物および土壌への最適な灌水は、蒸発散によって失われたと同じ量だけ行うこととし、
   前記蒸発散量の算定方法を用いて、灌水が必要な植物群落についての蒸発散量を含む関連するデータを取得し、
   前記データに基づいて前記植物群落への灌水を制御する、ことを特徴とする灌水制御方法。

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