JP2010521140A - 流体及び栄養送達システム並びに関連方法 - Google Patents

Abstract

水溶液を植物に効率的に送達するためのシステム及び方法は、親水性ポリマーを被覆されており、植物の根系に隣接して配置可能な遠端と、水溶液を入口から遠端まで輸送するための内腔をもつ微孔質疎水性チューブを利用する。遠端の周囲のチューブは水圧により根から発生される界面活性根滲出液の作用を受けると、水溶液の透過を可能にするように構成された気孔率をもつ。チューブの入口の上流には圧力調整装置を配置し、水溶液をその内側に保持するように構成されたリザーバを圧力調整装置の上流端と流体連通するように配置する。栄養溶液を植物の根に輸送するための付加的なチューブも配置することができる。
【選択図】図９

Description

本発明は一般には水用に灌水及び栄養供給するためのシステム及び方法、特に「オンデマンド」で水と栄養を送達することにより水の使用を最小限にすると共に潜在収穫密度を最大限にするためのこのようなシステム及び方法に関する。

農業は世界の清水資源の約７０％を利用しているため、水用の自動灌水システムの必要性は周知であり、この必要性を種々の程度まで満足するように多数の製品が設計及び構築されている。システムのうちには少量の水を連続的に供給するものがあり、このようなシステムはドリップ潅漑又はトリクル潅漑と呼ばれることが多く、水用の要求とは無関係に根領域に水を供給する。水分の要求を検出するために土壌中の含水率に依存するシステムもある。更に、表面張力と毛管上昇効果の結果として水用に灌水するウィックを利用するシステムもある。

ドリップ潅漑又はトリクル潅漑は乾燥地帯で作物を栽培する周知方法である。水利用効率はスプリンクラーシステムの７５〜８５％に比較して９０％であると言われている。基本的なドリップ潅漑システムは一般に地表チューブから構成され、ドリッパーチューブ／エミッターを配置し、給水チューブから給水チューブの両側の水用の根に灌水する。ドリッパーチューブ／エミッターはエミッター／ドリッパーチューブ内の水流に対する粘性抵抗に基づいて根への水の滴下量を制限する。ドリップ速度は特定水用の必要量計算値、土壌条件、予想降雨量及び蒸発散速度により決定され、植物体当たり１〜４Ｌ／時間とすることができる。

作物の水分要求量又は水中に供給する栄養量の推定が正確であることは稀であり、常に水の浪費を招いている。植物の根は水中の有機不純物の吸着により疎水性になると考えられる多孔質親水性薄膜の内側に蓄積された水の放出を制御できることが判明した。そのメカニズムは完全には解明されていないが、水中の有機不純物が吸着して疎水性となった膜の細孔を開く界面活性剤が根滲出液に含まれていると推測されている。疎水性膜は水が植物に流れるのを阻止する。しかし、植物の根は膜を親水性にすることにより膜の細孔を開く界面活性剤を含む各種化学物質を滲出する。従って、水は根に向かって流れることが可能になり、植物の水分が十分になると、膜は疎水性になる。

（一方には水を収容し、他方には栄養溶液を収容した）２個のリザーバに膜を取付けて植物に提供すると、植物は２種類の供給源を区別することができ、必要量の水と必要量の栄養を吸収することも分かっている。水と栄養の比は栄養溶液の濃度に応じて２〜５対１とすることができる。

多孔質チューブ又は水を連続的にゆっくりと放出できるように穿孔されたチューブを含む数種類の地表下システムが開発されている。しかし、これらの疎水性チューブは２気圧までの水圧が必要であり、植物の水分が十分なとき、又は例えば降雨時に水の放出を自動的に停止しない。

膜システムを使用する市販潅漑システムが存在しない理由の１つは、若い植物又は苗と、完全に成長し、成熟しており、発芽して果実及び作物を実らせている植物に必要量の水を供給することができる膜を得ることが難しいためであると考えられる。別の理由として、水中の一定の微量の有機溶質に依存しているため、膜の親水性細孔チャネルの出口壁に吸着されると、膜は疎水性システムに変化し、水の膜透過が停止するか又は著しく減るという点も考えられる。別の理由として、適切な壁厚と直径をもち、処理を経済的にするために十分に耐久性の親水性チューブを得ることが難しいという点も挙げられる。

ロシアのＳＶＥＴ宇宙植物栽培システムは高さ４０ｃｍまでの植物を収容できる栽培面積１０００ｃｍ^２の箱型温室から構成される。根を天然多孔質ゼオライト上に成長させ、高度精製水で根を必要な水分レベルに維持している。ＮＡＳＡにより使用されている無重力栽培室は水と栄養を供給する微孔質セラミック又はステンレス鋼チューブを利用し、温室植物に潅漑している。多孔質セラミック、ステンレス又は疎水性膜を使用して水及び／又は栄養を植物に送達するシステムは基本的に植物が必要とするか否かに拘わらず、水／栄養を常に送達する１種のドリップ潅漑である。当業者に自明の通り、セラミック又はステンレスチューブは厚く、有機成分はチャネルの全長に吸着され、植物の滲出液により除去することができない。

図７は単一植物の水及び栄養溶液の流量を示す。図７は特に２８５ｍＬ容の同一寸法及び形状の２個のリザーバ（水用の番号１と栄養溶液用の番号２）の底に１２ｃｍ^２の微孔質Ａｍｅｒａｃｅ Ａ−１０を取付け、鉢植え用土に埋め込んで周知サボテンＦｉｃｕｓ ｉｎｄｉｃａ（挿入図）を栽培した場合の水流量の１日記録量（ｍＬ／日）であり、（ｉ）根と膜の接触が確保されたとき、及び（ｉｉ）総流量が水吸収速度を超えなくなったとき（２４日後）に水流量のパターンに及ぼす効果を示す。一般に、水の流量は栄養溶液の約３倍である。栄養濃度を変えると、２個のリザーバからの流量比も変化することが分かっている。図７では、植物の根からの滲出液は図８のステップ３をステップ１に戻す。これは特定容量の水をＡｍｅｒａｃｅ−１０膜に通過させた後に膜を閉鎖させることにより実験で立証されている。その後、膜の出口側をアルコールで洗浄すると、図８に示すように膜を通過する水の流れは再開するが、最終的に全アルコールを流出させ、有機不純物を細孔の出口壁に吸着させると停止した。

同様に図８を参照すると、ステップ１では、水は膜の細孔を離れるにつれて親水性の膜の表面に広がる。大きな液滴が形成され、表面から離れる。水中の疎水性不純物が吸着して表面を覆うにつれ、膜の毛管細孔を離れる水は表面に広がることができなくなり、より小さな液滴しか形成できなくなる（ステップ２）。更に被膜が続くと、水が表面に広がる余地はなくなり、ステップ３に示すように疎水性領域を通して水を押し出すためにはより大きな力が必要になる。膜は親水性状態から疎水性状態へと移る。膜は水及び／又は栄養溶液中の有機不純物の吸着により疎水性になる。こうして細孔は閉じ、通常圧力条件下で水は膜から離れられなくなる。圧力を増すと、水の表面張力は水が細孔を通過するのを阻止できなくなるので、液体は再び流れることが可能になる。

本発明は１側面において水溶液を植物に効率的に送達するためのシステムに関する。前記システムは遠端を植物の根系に隣接して配置可能な親水性手段を含む。親水性手段は水溶液を入口から遠端に輸送するための内腔をもつ。親水性手段は更に内腔を包囲する壁をもつ。遠端の周囲の壁の少なくとも一部は水圧下の植物の根から発生される界面活性根滲出液の作用を受けると、水溶液の透過を可能にするように構成された気孔率をもつ。

システムは更に、水溶液をその内側に保持するように構成されたリザーバを含む。リザーバは親水性手段入口と流体連通するように配置される。１態様では、最低で流体を親水性手段に流体を透過させるための最低圧力値から、最大でその値を越えると界面活性根滲出液の不在下でも流体が親水性手段を透過する最高圧力値までを提供するための圧力調整装置をリザーバと親水性手段の間に配置する。

本発明は更に別の側面では、水溶液を植物に効率的に送達するための方法に関する。方法のこの側面は上記システムで記載したように親水性手段の遠端を植物の根系に隣接して配置する段階を含む。親水性手段の入口に水溶液を導入し、親水性手段入口から遠端に水溶液を輸送する。１特定態様では、親水性手段入口の上流で水溶液の圧力を制御する。

本発明は更に別の側面では、水溶液を植物に送達するための効率的なシステムの構築方法に関する。方法のこの側面は上記のように親水性手段の遠端を植物の根系に隣接して配置する段階を含む。

親水性手段入口の上流で水溶液の圧力を制御し、水溶液をその内側に保持するためのリザーバを圧力制御の上流に配置する。リザーバから親水性手段入口への水溶液の流れを確保するためのチャネルも配置する。

構成と実施方法の両者に関して本発明を特徴付ける要件と、本発明の他の目的及び利点は添付図面を参考に以下の記載からよりよく理解されよう。当然のことながら、図面は例証と説明を目的とし、発明の範囲の定義とみなさない。本発明により達成されるこれら及び他の目的と、提供される利点は添付図面を参考に以下の記載からよりよく理解されよう。

図１Ａ及び１Ｂは植物の根に水と栄養を供給するための二重潅漑チューブの夫々上面図と横断面図を示す。

芝生潅漑システムの横断面図である。

無重力環境で使用可能な典型的な植物栽培システムを示す。

孔を親水性膜で被覆したチューブの１態様の側面斜視図である。

図５Ａ及び５Ｂは地表部分と地表下部分を含む栽培システムの夫々上面図と横断面図を示す。

ポリヒドロキシスチレンの化学式を示す。

単一植物の水及び栄養溶液の流量のグラフ（従来技術）であり、（●）はリザーバ番号１からの水吸収量を示し、（▼）はリザーバ番号２からの栄養吸収量を示す。（出典Ｌ．Ａ．Ｅｒｒｅｄｅ，Ａｎｎ．Ｂｏｔａｎｙ ５２，２２−２９，１９８３）。

図８Ａ〜８Ｌ（従来技術；図８と総称する）は微細毛管出口の周囲の親水性領域の大きさの関数として微孔質膜の微細毛管経路を通る水の流れの模式図であり、水中の有機不純物が如何に毛管の出口端に付着し易いかを示す。ステップ１（図８Ａ〜８Ｄ）では、微細毛管出口の周囲の領域の初期親水性状態を示す。Ｄ_１は親水性領域の直径であり、Ｒ_１は出口から放出される液滴の半径であり、微細毛管出口の半径であるｒよりも著しく大きい。ステップ２（図８Ｅ〜８Ｈ）は微細毛管出口の周囲の親水性領域の外周部に疎水性溶質がある程度蓄積した後に生じる。ここでは、Ｄ_１＞Ｄ_２＞２ｒ、及びＲ＞Ｒ_２である。ステップ３（図８Ｉ〜８Ｌ）は出口の周囲の親水性領域の直径Ｄ_ｆが出口の半径ｒの２倍まで収縮する最終状態である。ΔＰ＝２γ／Ｒ_ｆ（式中、γは水の表面張力である）が適用圧力Ｐ_ｆよりも大きくなると、所与出口の水の流れは停止する。（出典Ｌ．Ａ．Ｅｒｒｅｄｅ，Ｊ．Ｃｏｌｌｏｉｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉ．１００，４１４−２２，１９８４．）。

圧力調整装置を内蔵したシステムの模式図である。

図９のシステムで使用される典型的な圧力調整装置の模式図である。

以下、図１〜１０を参考に本発明の好ましい態様について記載する。

本明細書で使用する「チューブ」なる用語は水及び／又は栄養を提供するための供給管を意味する。当業者に自明の通り、このような「チューブ」は必ずしも円筒形である必要はなく、適切な任意形状とすることができ、これらの用語の使用は限定を意味しない。

本明細書には成長中の植物の根に水及び／又は栄養を供給するためのシステム及び方法として、個々の植物の必要に応じて水及び／又は栄養を植物に放出するシステム及び方法について記載する。本明細書で使用する「植物」なる用語は広義に解釈すべきであり、例えばシバが挙げられる。本発明を限定するものではないが、水圧下にあるとき、植物の根は下記条件下で蓄積された水及び／又は栄養の放出を助長する滲出液又は界面活性剤を発生することができる。具体的には、少なくとも部分的に親水性の供給管又は供給チューブから水及び／又は栄養を植物に供給する。

所定態様において、チューブは親水性膜で被覆した複数の孔を含むことができ、他の態様において、チューブ全体、その地表下部分又はその大部分は親水性である。更に他の態様において、システムは非透水性又は疎水性の地表チューブを含むことができ、チューブは根に供給するために支持担体に挿入することが可能な複数の親水性チューブに接続される。

１本以上の親水性チューブを少なくとも部分的に支持担体の表面下に位置するように大量の支持担体に挿入することができる。支持担体は成長中の植物と根を支持するのに適した適切な任意担体又は担体混合物から選択することができる。このような支持担体の例としては限定されないが、砂、土、ロックウール、ポリウレタンフォーム、Ｆｌｅｘｉｍａｔ（登録商標）、ＳＲＩセルロース系培養担体等があげられる。連続繊維培養担体等の当分野で公知の他の適切な担体も使用できる。

特定態様では、植物を支持担体に植付け、水、栄養又はその混合物を収容したリザーバに各チューブを接続する。所定態様では、水用チューブと栄養用チューブの２本のチューブから１列の植物に供給することができる。上記のように、植物はこれらのチューブを区別できることが従来判明している。あるいは、水用リザーバに栄養を加え、単一チューブで分配してもよい。

潅漑チューブ用として市販されている薄壁微孔質親水性チューブは現在知られていない。１特定態様では、Ｃｅｌｌ−Ｆｏｒｃｅ（登録商標）やＦｌｅｘｉ−Ｓｉｌ（登録商標）等の親水性材料から親水性チューブを作製することができる。あるいは、非水溶性親水性ポリマー（例えばポリヒドロキシスチレン，本明細書に援用する米国特許第６，０４５，８６９号；図６に示す構造）を表面コーティングとして使用する方法により、所定の既存疎水性薄壁チューブを親水性にすることができる。コーティングとして塗布し、微孔質疎水性プラスチックチューブに含浸させるこのような溶液は細孔を塞がず、親水性に維持されることが多年来明らかである。因みに、Ｔｙｖｅｋ（登録商標）（非常に細い高密度ポリエチレン繊維から製造された微孔質ポリエチレン材料，ＤｕＰｏｎｔ，Ｒｉｃｈｍｏｎｄ，ＶＡ）の半径５〜１０ｍｍの連続チューブ（Ｉｒｒｉｇｒｏ−Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ）が親水性にした後に使用されており、地表下潅漑システムで植物の根に応答性の膜として機能することが分かっている。

Ｔｙｖｅｋ（登録商標）は各々異なる性質をもつ複数の種類が入手可能である。限定するものではないが、１０５９Ｂと１０７３Ｂの特定の２種類が本発明で使用するのに最も有益であることが判明した。

上記のように、親水性膜は水中の有機不純物が膜に吸着して経時的に疎水性になり得るがあることが分かっている。水中の不純物は多様であるため、出口細孔壁に吸着可能な有機物質を水に加えて膜を疎水性にし、こうして膜を通過する水又は栄養溶液の流量を減らした。適切な有機物質の例としては限定されないが、フミン酸、ケロシン、テレビン油、ピネン、パラフィン及びヘキサデカンが挙げられる。他の態様では、他の適切なＣ８−Ｃ１６飽和炭化水素を使用することができる。添加量は潅漑担体に１０ｐｐｂ〜１０ｐｐｍを加えた。当業者に自明の通り、所定態様では、水の品質に応じて有機物質の添加は必ずしも必要ない。

作物を土壌中で栽培する場合には、必ずしも連続的に栄養を加えなくてもよいが、砂、Ｆｌｅｘｉｍａｔ又はロックウール中で作物を栽培する場合には、上記のように栄養溶液、例えば水耕システムで一般に使用されているもの（例えばＨｏｅｇｌａｎｄ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ，Ｐｅｔｅｒ’ｓ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ，Ｍｉｒａｃｌｅ−Ｇｒｏ）、又は他の着色料濃度の低い肥料（例えばＳｃｈｕｌｔｚ Ｅｘｐｏｒｔ）等の当分野で公知の適切な任意栄養溶液を水供給源に加えることができ、あるいは別個のチューブで植物に直接供給してもよく、こうして、植物の根に必要量の水と栄養を吸収させることができる。他方、人工担体で栽培する場合には、栄養及び微量栄養の添加が重要である。

図１Ａ及び１Ｂは培養担体１４で成長中の植物１３に水と栄養溶液を送達するために２本組潅漑チューブ１１，１２を使用するシステム１０を示す。この態様１０では、チューブ１１，１２は植物１３の根系１５間に延びている。砂と鉢植え用土の両者での実験によると、使用する栄養の濃度が高いほど、根１５に放出される栄養溶液の容量は少なくなり、本発明により節水が達成されることが明らかである。

当業者に自明の通り、チューブ１１，１２は本発明の精神から逸脱せずに１本の複合二重内腔チューブとして提供することができる。２部分の直径は植物の水分と栄養の必要量の比に比例させることができ、限定するものではないが、例えば水用チューブの寸法を２倍にすることができる。

所定態様では、十分な圧力が加えられると、地表下薄壁微孔質チューブが破裂する可能性があるので、例えばプラスチックからなるコイル６０をチューブ１１又は１２等のチューブに内蔵し、より破裂しにくいチューブ６１を形成することができる（図１Ｃ）。

図２は地表下チューブ２２を１〜２フィート間隔で配置し、一定の低圧下の水と所望により水溶液に添加した栄養を実質的に連続供給する芝生２１の潅漑用システム２０を示す。

本明細書に記載する潅漑システム及び方法は現在使用されている他の如何なる灌水システムよりも優れていると考えられ、更に、大気圧から独立しているため、宇宙栽培又は微重力状態や他の状態でも使用可能になる。例えば、本発明の１態様３０（図３）では、植物３２とその根３３を支持するために、ロックウールや海綿状Ｆｌｅｘｉｍａｔ（Ｇｒｏｗ−Ｔｅｃｈ製品）等の連続繊維状培養担体３１を使用することができる。この態様３０では、リザーバ３４はいずれも水と栄養溶液をその内側に保持するための内部スペース３６をもつ容器３５からなる。容器３５はベローズ様に形成され、溶液を収容している拡張状態と、溶液が除去された収縮状態の間で移動可能である。

容器３５は更に溶液を添加するために容器の内部スペース３６と流体連通している充填入口３７を含む。分配チューブ３８も容器の内部スペース３６と親水性チューブ４０の入口３９とに流体連通している。この構成により溶液をチューブの内腔４０に供給する。分配チューブ３８には更に、チューブ４０から容器の内部スペース３６への溶液の逆流を防ぐための逆止弁４１がその内側に配置されている。

例えばロックウール又はＧｒｏｗ−Ｔｅｃｈ製スポンジ状親水性多孔質材料であるＦｌｅｘｉｍａｔや、新規に開発された人工スポンジ（例えばＡｇｒｉ−ＬＩＴＥ（ＳＲＩ Ｅｎｖｉｒｏ−Ｇｒｏｗ））等の一体化連続材料を使用することにより、無重力下の本発明のシステムに植物とその根の担体を提供することができる。これらの材料を使用して夫々水と栄養溶液を供給する２本組微孔質親水性潅漑チューブを包囲することにより、成長中の植物に供給される水と栄養の完全な節約を達成することが可能である。このようなシステムは節水が望ましい乾燥又は砂漠環境にも利用することができる。

初期実験室試験によると、水に栄養を加えて使用した場合には、地表下ＰＶＣチューブ４４の孔４３にＡｍｅｒａｃｅ Ａ１０膜４２（ポリエチレン中５０％シリカゲル）を貼付けてトマトを砂中で栽培することが可能であった（図４）。ＰＶＣチューブ４４の孔４３は内径１７ｍｍの硬質ＰＶＣチューブに１０ｃｍ間隔で直径１２ｍｍに穿孔した。孔４３は成長中の植物に利用可能な水と栄養の量を制限していたと考えられ、植物が果実を付け始め、植物の必要量を供給するためにより大きな膜面積が必要になると、システムは不十分になることが分かった。より多くの孔を穿孔して被覆することにより膜の総表面積を増すと、システムは改善された。しかし、現時点で最良の本発明の実施形態は連続チューブを使用することが好ましい。Ａｍｅｒａｃｅは脆性であるため、この材料から製造した膜チューブは亀裂と漏れを生じる傾向があった。

園芸及び条植え作物用の高水圧下の潅漑目的用にチューブ状Ｔｙｖｅｋ（登録商標）（ＤｕＰｏｎｔ）が使用されている。しかし、ポリエチレン材料は疎水性であるため、植物の根の滲出液により制御されないと、植物の点滴水源として機能する。疎水性表面の親水性変換は記載されており（米国特許第６，０４５，８６９号）、Ｔｙｖｅｋ（登録商標）チューブを親水性にし、植物の水及び／又は栄養要求に応答性にするために使用することができる。ポリヒドロキシスチレンのアルコール溶液を塗布含浸させることによりチューブを親水性にしている場合には、チューブは著しく低圧でも透水性であることが判明し、水中の有機化合物が出口細孔壁に吸着されるにつれて透水率は低下した。これは「馴化期」とみなすことができ、この間に水道水に炭化水素を加えることにより透水率を８０％も低下させることができる。

本発明は複数の植物又は１列の植物に供給するために支持担体の表面下に延びるように配置された複数の供給チューブを提供する最初の発明であると考えられる。更に、親水性材料からなるチューブの明白な利点の１つは、単一の水平膜に比較して支持担体のより大きな面積に水と栄養が供給されるという点である。

以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

長さ４フィートのＴｙｖｅｋ（登録商標）チューブ（＃１０５３Ｄ）をポリヒドロキシスチレンのアルコール溶液で親水性にし、長さ４．５フィート、幅１３ｃｍ、深さ１０ｃｍのプランターに入れて土をかぶせ、３５ｃｍの定水位で栄養溶液の一定供給源に接続した。チェリートマト（Ｌｙｃｏｐｅｒｓｉｃｏｎ ｓｐ．）苗１０本をチューブに隣接して等間隔で植付け、水と栄養を供給した。植物体に蛍光照明を１日１８時間照射した。平均水消費量は植物体が高さ１５ｃｍのときには７５±１０ｍＬ／時であり、植物体が高さ２５ｃｍのときには１２５±２０ｍＬ／時であった。水１００ｍｌを苗床に噴霧することにより降雨をシミュレーションすると、水消費量は２時間でゼロまで低下し、その後、３時間かけてゆっくりと正常速度に戻った。植物体は高さ２フィートまで成長し、多数のトマトを収穫した。

実験の終了後、植物体の間で膜上のスペースに関して競合があったか否かについてシステムを試験した。根系の試験によると、根は植物の茎から約１〜２インチ以内しか膜を包囲していなかった。このことから、利用可能な光化学系の流量と相互干渉にしか制限されないレベルまで植物栽培密度を増加できると予想される。

二重チューブシステムを使用して水と栄養を別々に供給した場合に、水消費量と栄養溶液消費量の比は砂に植付けたチェリートマト植物体８本で約２．５対１であった。この場合も、植物体の寸法が高さ３５ｃｍに達したときに、変動は殆ど又は全く認められなかった。

２０〜４０ｃｍの間隔で植付けたブドウやキーウィ等の植物体に連続潅漑チューブは不要であると思われる。これらの状況５０では、図５Ａ及び５Ｂに示すように、内径２０〜３０ｍｍの主弾性地表分配チューブ５１を使用し、サテライトチューブ５２を引き出し、蔓植物体の寸法に応じて１０〜３０ｃｍの短い長さの薄壁微孔質親水性潅漑チューブ５３で蔓植物体ないし低木植物体５６の根５５を包囲し、その端部５４を閉止し、このチューブにサテライトチューブから供給するとより実際的である。

トマト植物体を鉢植え用土に植付け、半径１ｃｍ、長さ２０ｃｍの微孔質親水性チューブ２本も埋込んだ。チューブを水と栄養のリザーバに接続し、満水に維持した。植物体が成長して多数のトマトを生産する間、土は乾燥したままであった。

長さ１．２５ｍ、半径１ｃｍのＴｙｖｅｘ（登録商標）チューブ（＃１０５３Ｂ）を使用して別の実験を実施した。チューブは一端を密閉し、ポリヒドロキシスチレン（ＴｒｉＱｕｅｓｔ製品Ｎｏｖｏｌａｃグレード）のエタノール中３％溶液で親水性にした。チューブを１．４ｍプランターに入れ、土をかぶせ、３５ｃｍの定水位で栄養溶液供給源に接続した。チェリートマト（Ｌｙｃｏｐｅｒｓｉｃｏｎ ｓｐ）苗１０本をチューブに隣接して等間隔で植付け、水と栄養を供給した。植物体は１日１６時間蛍光照明を照射下の馴化期中に成長した。平均水消費量は植物体が高さ１５ｃｍのときには７５±１０ｍＬ／時であり、植物体が高さ２５ｃｍのときには１２５±２０ｍＬ／時であった。

水１００ｍｌを苗床に噴霧することにより降雨をシミュレーションすると、水消費量は２時間でゼロまで低下し、その後、３時間かけてゆっくりと正常速度に戻った。

植物体は高さ６０ｃｍまで成長し、多数のトマトを収穫した。実験の完了後、植物体の間で膜上のスペースに関して競合があったか否かについてシステムを試験した。根系の試験によると、根は植物の茎から約２．５〜５ｃｍ以内しか膜を包囲していなかった。この知見から、利用可能な光量と相互干渉にしか制限されないレベルまで植物栽培密度を増加できると予想される。

異なる割合の水と栄養を要求する異なる植物体が一緒に成長することができ、各々モニターせずに個々に満足できることも判明した。

二重膜システムを使用して水と栄養を別々に供給した場合に、水消費量と栄養溶液消費量の比は砂に植付けたチェリートマト植物体８本で約２．５対１であった。この場合も、トマト植物体の寸法が高さ３５ｃｍに達したときに、変動は殆ど又は全く認められなかった。

長さ１１５ｃｍ、幅３ｃｍ、深さ１０ｃｍのプランターを温室に設置し、ポリウレタンフォーム１５ｃｍを挟んでＦｌｅｘｍａｔ ５０ｃｍとロックウール５０ｃｍを充填した苗床の中心に水と栄養用の二重供給膜チューブを配置した。アブラナ（Ｂｒａｓｓｉｃａ ｓｐ）、マメ（Ｐｈａｓｅｏｌｕｓ ｓｐ）、トウモロコシ（Ｚｅａ Ｍａｙｓ ｓｐ）、及びトマト（Ｌｙｃｏｐｅｒｓｉｃｏｎ ｓｐ）の種子又は苗を夫々の担体に植付け、その成長パターンを観察した。成長はＦｌｅｘｉｍａｔで有利であり、ポリウレタンフォーム以外は正常に進行し、各作物は５０〜６０ｍＷ／ｃｍ^２の光量下でその固有速度で成長した。ニンジン（Ｄａｕｃｕｓ ｃａｒｏｔａ ｖａｒ ｓａｔｉｖａ ｓｐ）、ラディッシュ（Ｒａｐｈａｎｕｓ ｓａｔｉｖｕｓ ｓｐ）、ビーツ（Ｂｅｔａ ｖｕｌｇａｒｉｓ ｓｐ）及びタマネギ（Ａｌｌｉｕｍ ｓｐ）等の根菜作物を土とピートで栽培し、ジャガイモ（Ｓｏｌａｎｕｍ ｔｕｂｅｒｏｓｕｍ ｓｐ）、パースニップ（Ｐａｓｔｉｎａｃａ ｓａｔｉｖａ ｓｐ）及びパセリ（Ｐｅｔｒｏｓｅｌｉｎｕｍ ｓａｔｉｖｕｍ ｖａｒ ｔｕｂｅｒｏｓｕｍ ｓｐ）をバーミキュライトで栽培するのに成功した。セルロース材料（ＳＲＩ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．）も人工培養担体として使用することができる。

管状膜を４０〜５０ｃｍ間隔で埋込むと、シバ（Ｇｒａｍｉｎｅａｅ ｓｐ）に連続して３年間有効に潅漑できることが判明した。

別の場合には、疎水性プランター（３０×３０×３０ｃｍ）２個に水／栄養溶液用膜チューブを底から約７ｃｍの位置に取付けた。担体は無土壌混合物をプランターに深さ約２５〜２６ｃｍに充填した。野菜を購入する際に消費者は主根がまっすぐに伸びていることを重視するが、この深さで根菜作物は主根をまっすぐに生長させることができた。一方のプランターにはパースニップ（Ｄａｕｃｕｓ ｃａｒｏｔａ ｖａｒ．ｓａｔｉｖａ ｓｐ．）を播種した。他方のプランターには茎葉と根茎の二重目的の作物であるパセリ（Ｐｅｔｒｏｓｅｌｉｎｕｍ ｓａｔｉｖｕｍ ｖａｒ．ｔｕｂｅｒｏｓｕｍ ｖａｒ．ｔｕｂｅｒｏｓｕｍ ｓｐ）を播種した。植物体競合により、各プランターの過剰播種の問題を抑制した。植物には自然太陽光のみを与え、「抽台」の危険を減らした。過度の高温は植物の健康に問題であった。

パースニップの根はまっすぐであり、総重量３８．９ｇであった。組織と風味は優良であった。パセリはまっすぐな主根を生長させ、総重量３８．３ｇであった。生長した葉茎は葉柄が通常の購入品よりも長く、総重量５８．９ｇであった。

当業者に自明の通り、１本の連続多孔質親水性潅漑チューブを使用して各植物体に相互に独立してその水分要求量を吸収させる本発明の態様により水分要求量の異なる植物体を満足させることができる。多数の異なる植物を１箇所で栽培する温室ではこのような要求量が必要となることが多い。

水と栄養用の２本のチャネルを備える親水性潅漑チューブは植物の要求量を完全に満足すると共に、植物の密度も増加することができ、利用可能な太陽光にしか制限されないことも判明した。

市販薄壁微孔質疎水性チューブを親水性チューブに変換することができ、その結果、植物とその根に応答性にできることも判明した。このようなチューブとしては限定されないが、高圧潅漑ホースが挙げられるが、本発明で使用する場合には高圧を使用する必要がない。

水と栄養の両者を別個のリザーバからオンデマンドで植物に供給することができ、従って、チューブリザーバに利用可能な水が存在する限り、注意又は監視の必要がなくなるようにするには、どのようにして１個以上の植物体の容器に二重膜チューブを内蔵すればよいかも判明した。１特定態様では、水用チューブと栄養用チューブの直径比を３：１にすると最適であるが、これは限定を意味するものではなく、当然のことながら栄養濃度と植物の種類により異なる。

更に、微量の１種以上の炭化水素を水供給源に加えることにより、汚染有機物質を含まず且つ潅漑システムで非応答性の水系が潅漑システムに応答性になることも判明した。

本発明の潅漑システムはドリップ潅漑システムのエミッターの代用に使用することができ、その結果、水及び／又は栄養の放出が根に応答性になることも判明した。１特定態様では、公知ドリップ潅漑システムと本発明のシステムで使用される水容量の差は１００〜５００倍であることが判明した。

更に別の態様７０（図９）では、フロート式流量制御弁７１（図１０）等の圧力調整装置をリザーバ７２，７３とチューブ７４，７５の間に挿入する。更に、粒状物質を濾別するためにインラインフィルター７６を加えてもよい。１特定態様において、フロート式制御弁７１は圧力を１〜３ｐｓｉに調整するように機能するが、これらの数値は限定を意味するものではない。圧力値は例えばフロート式流量制御弁をチューブ７４，７５よりも高い所望レベル、例えば特定チューブ材料及びシステムでは２８インチに設置することにより調節可能である。

図１０の典型的なフロート式制御弁７１では、給水口７７がチャンバー７９の上端７８に挿入され、維持された水面８１に浮遊するフロート８０に固定されている。水はチャンバー７９の底８３の出口８２から排出され、大気圧に維持するために通気孔８４が形成されている。図面に示すように、潅漑チューブ７４，７５は地表レベルよりも下に配置されている。チューブのレベルから上の高さ８５は調節することができ、チャンバーの容積は例えばシステム７０内を流れる所望流速に応じて選択することができる。

フロート式流量制御弁７１を加えると、最低動作圧力を維持することが可能になり、最高圧力を越えないことが判明した。チューブ７４，７５が均質であるか不均質であるかに関係なく、液体が通過するためには最低圧力が必要である。過度に高い圧力が加えられると、界面活性根滲出液の有無に関係なく、液体はチューブ７４，７５の細孔を通過する。

このシステム７０はより高価な他の型の圧力調整器、電子弁又は流量調整器を使用せずに圧力の維持を可能にする。システム７０は造園用に容易に隠蔽されるが、農業用に十分に堅牢である。

例えば地表の凹部に土を充填してグリーンを形成し、連続的又は所定間隔で水と栄養を供給するゴルフコースでは、シバセクターを実質的に個別に栽培することが知られている。このような構成において、本発明のシステムはオンデマンドでシバの根に水と栄養を理想的に供給することができるので、水と栄養の両者を節約すると共に、グリーンの最適維持を確保することができる。

下表１〜４は屋内（表１）及び屋外（表２）で実施した実験のデータと、水及び栄養の流量（表３）と、連続灌水及び単一植物の灌水結果（表４）を示す。

本発明の別の側面は「オンデマンド給水」システム用のチューブの製造に関する。１方法では、低気孔率物質のシートに上記ポリヒドロキシスチレンを被覆し、例えば熱、超音波又はインパルス手段により円筒形に成形する。

限定するものではないが、ポリヒドロキシスチレンポリマー（図６）の作用は以下のように説明することができる。まず、ポリヒドロキシスチレンがどのように膜に付着するかについて説明すると、ポリヒドロキシスチレンは２個の基をもち、一方はヒドロキシル（ＯＨ）であり、親水性であり、水と水素結合を形成することができ、他方はスチレン基であり、エチレン基（＝ＣＨ−ＣＨ_２−）に結合したベンゼン環（−Ｃ_６Ｈ_４−）を含み、どちらも疎水性であり、疎水性ポリエチレン膜に付着することができるため、親水性（ＯＨ）基が残り、水と弱い水素結合を形成する。

上記のように、ポリマーは膜を貫通する毛管として機能することができる。水中の有機不純物は気体−液体−固体平衡（即ち空気−水−膜）が存在する毛管の出口端壁に１０^５〜１０^６倍も付着し易いことが判明した。有機不純物は毛管の壁に沿って平衡状態にあり、この場合には液体と固体の間のみに平衡が存在する。従って、出口細孔の表面は水及び／又は栄養溶液中の微量の有機不純物の吸着により疎水性になる。

植物は水が必要になると、出口壁の接着性有機化合物を除去する界面活性剤を含むと考えられる滲出液と呼ばれる化学物質を発生し、潅漑チューブからの液体は流通できるようになる。図７〜８Ｌに関して上述したように、このことは従来技術で２種類の異なる膜について示されている。

高純度水は有機不純物を含まない。所定の家庭用給水源は有機不純物がほんの僅かしか残存しないような程度まで精製されていることが多い。その結果、通常では不必要な大量の水が膜を通過した後にしか細孔は閉じない。有機物が除去されて膜に堆積してから細孔が閉じるまでの間には時間遅延があるので、結果は適切ではない。他方、根により放出される界面活性剤の量は制限されているため、水中の有機物含量が過度に高いと、閉じた細孔を開くのが遅れる可能性がある。

一般に植物に必要な膜面積は直径が半径約１ｃｍに等しく、最大厚み０．５ｍｍ及び細孔寸法０．１〜５μｍ、好ましくは平均０．４μｍのチューブにより最良に提供されることが判明したが、これは限定を意味するものではなく、他の気孔率値を使用することもできる。膜のこのセグメントを植物の根と接触させる。膜チューブの短いセグメントにもっと直径の小さいチューブから水及び／又は栄養溶液を供給することができるが、管のエアロックを防ぐように注意する必要がある。内径１ｃｍのチューブは大き過ぎるとはみなされない。供給管には光（太陽光又は人工照明）を照射するので、不透明チューブを使用する必要があり、さもないと、活発な太陽光により藻類が形成され、最終的に細孔を塞ぐ可能性がある。疎水性膜のコーティングは主に得られた親水性表面を疎水性にし、細孔を閉じるように機能すると考えられる。内部細孔を被覆せずにおくと、膜を透過する水の流れが制限される。

上記記載では、簡潔、明瞭及び理解のために所定の用語を使用したが、このような用語は本明細書の記載の目的で使用し、広義に解釈すべきであるので、従来技術の要件を越えて不必要な制限を意味するものではない。更に、本明細書に例証及び記載する装置の態様は例示であり、本発明の範囲は構成の厳密な詳細に限定されない。

以上、本発明とその好ましい態様の構成、作用及び使用、それにより得られる有利な新規で有用な結果について説明したが、当業者に自明の新規で有用な構成とその妥当な機械的等価物は特許請求の範囲に記載する通りである。

米国特許第６，０４５，８６９号

Claims (27)

1. 水と栄養を植物に効率的に送達するためのシステムであって、
   親水性ポリマーからなり、チューブの遠端を植物の根系に隣接して配置可能であり、水溶液を入口から遠端まで輸送するための内腔をもち、更に界面活性根滲出液の作用を受けると、水溶液の透過を可能にするように構成された気孔率をもつ微孔質チューブと；
   水溶液をその内側に保持するように構成されたリザーバと；
   上流端がリザーバと流体連通しており、下流端がチューブ入口と流体連通しており、最低で流体をチューブに透過させるための最低圧力値から、最大でその値を越えると界面活性根滲出液の不在下でも流体がチューブを透過する最高圧力値までを提供するための圧力調整装置を含む前記システム。
2. 圧力調整装置が約１〜３ｐｓｉの範囲の圧力値を提供するように構成されている請求項１に記載のシステム。
3. 圧力調整装置がフロート式流量制御弁を含む請求項１に記載のシステム。
4. 圧力調整装置が複数の動作圧力を達成するように調節可能である請求項１に記載のシステム。
5. チューブが疎水性チューブを含み、親水性ポリマーが疎水性チューブに被覆含浸させるポリヒドロキシスチレンを含む請求項１に記載のシステム。
6. チューブが第１のチューブを含み、リザーバが少なくとも水を保持するための第１のリザーバを含み、更に、
   親水性ポリマーを被覆含浸させており、遠端を植物根系に隣接して配置可能であり、栄養溶液を入口から遠端まで輸送するための内腔をもち、更に界面活性根滲出液の作用を受けると、栄養溶液の透過を可能にするように構成された気孔率をもち、入口が圧力調整装置下流端と流体連通している第２の微孔質チューブと；
   栄養溶液をその内側に保持するように構成され、圧力調整装置上流端と流体連通している第２のリザーバを含む請求項５に記載のシステム。
7. リザーバが、
   水溶液をその内側に保持するための内部スペースをもち、溶液を収容している拡張状態と、溶液が除去された収縮状態の間で移動可能な容器と；
   溶液を添加するために容器内部スペースと流体連通している充填入口と；
   容器内部スペースとチューブ入口とに流体連通しており、圧力調整装置を介して親水性手段内腔に溶液を供給するように構成されており、チューブ内腔から容器内部スペースへの溶液の逆流を防ぐための逆止弁をその内側に配置した分配チューブを含む請求項１に記載のシステム。
8. 水と栄養を植物に効率的に送達するためのシステムであって、
   親水性ポリマーを被覆含浸させており、チューブの遠端を植物の根系に隣接して配置可能であり、水溶液を入口から遠端まで輸送するための内腔をもち、更に界面活性根滲出液の作用を受けると、水溶液の透過を可能にするように構成された気孔率をもつ微孔質疎水性チューブと；
   水溶液をその内側に保持するように構成されたリザーバと；
   上流端がリザーバと流体連通しており、下流端がチューブ入口と流体連通しており、最低で流体をチューブに透過させるための最低圧力値から、最大でその値を越えると界面活性根滲出液の不在下でも流体がチューブを透過する最高圧力値までを提供するための圧力調整装置を含む前記システム。
9. 親水性ポリマーがポリヒドロキシスチレンを含む請求項８に記載のシステム。
10. 圧力調整装置が約１〜３ｐｓｉの範囲の圧力値を提供するように構成されている請求項８に記載のシステム。
11. 圧力調整装置がフロート式流量制御弁を含む請求項８に記載のシステム。
12. 圧力調整装置が複数の動作圧力を達成するように調節可能である請求項８に記載のシステム。
13. チューブが第１のチューブを含み、リザーバが少なくとも水を保持するための第１のリザーバを含み、更に、
    親水性ポリマーを被覆しており、遠端を植物根系に隣接して配置可能であり、栄養溶液を入口から遠端まで輸送するための内腔をもち、更に界面活性根滲出液の作用を受けると、栄養溶液の透過を可能にするように構成された気孔率をもち、入口が圧力調整装置下流端と流体連通している第２の微孔質疎水性チューブと；
    栄養溶液をその内側に保持するように構成され、圧力調整装置上流端と流体連通している第２のリザーバを含む請求項８に記載のシステム。
14. 水溶液を植物に効率的に送達するための方法であって、
    親水性ポリマーを被覆しており、内腔を壁で包囲しており、界面活性根滲出液の作用を受けると、水溶液の透過を可能にするように構成された気孔率をもつ微孔質疎水性チューブの遠端を植物の根系に隣接して配置する段階と；
    チューブの入口の上流で水溶液の圧力を調整する段階と；
    圧力を調整した水溶液をチューブ入口に導入する段階と；
    水溶液をチューブ入口から遠端に輸送する段階を含む前記方法。
15. ポリマーがポリヒドロキシスチレンを含む請求項１４に記載の方法。
16. 圧力調整段階が約１〜３ｐｓｉの範囲の圧力値を提供する段階を含む請求項１４に記載の方法。
17. 圧力調整段階がチューブ入口の上流でフロート式流量制御弁を使用する段階を含む請求項１４に記載の方法。
18. 複数の動作圧力を達成するために、水溶液を調整する圧力を調節する段階を更に含む請求項１４に記載の方法。
19. チューブが第１のチューブを含み、更に、
    親水性ポリマーを被覆しており、内腔を壁で包囲しており、界面活性根滲出液の作用を受けると、栄養溶液の透過を可能にするように構成された気孔率をもつ第２の微孔質疎水性チューブの遠端を植物根系に隣接して配置する段階と；
    圧力を調整した水溶液を第２のチューブ入口に導入する段階と；
    栄養溶液を第２のチューブ入口から第２のチューブ遠端に輸送する段階を含む請求項１４に記載の方法。
20. 植物の水及び栄養送達システムの構築方法であって、
    親水性ポリマーからなる親水性シートの側縁を結合し、チューブを形成する段階と；
    チューブの遠端を人工植物培養担体に配置する段階と；
    植物の根系がチューブ遠端に隣接するように植物を培養担体に植付ける段階と；
    水溶液を保持するように構成されたリザーバと流体連通するようにチューブの入口をその近端に配置する段階と；
    チューブ入口の上流で水溶液の圧力を調整する段階を含む前記方法。
21. 植物の水及び栄養送達システムの構築方法であって、
    微孔質疎水性シートに親水性ポリマーを被覆する段階と；
    シートの側縁を結合し、チューブを形成する段階と；
    チューブの遠端を人工植物培養担体に配置する段階と；
    植物の根系がチューブ遠端に隣接するように植物を培養担体に植付ける段階と；
    水溶液を保持するように構成されたリザーバと流体連通するようにチューブの入口をその近端に配置する段階と；
    チューブ入口の上流で水溶液の圧力を調整する段階を含む前記方法。
22. 水溶液を植物に効率的に送達するための方法であって、
    親水性ポリマーを被覆含浸させており、内腔を壁で包囲しており、界面活性根滲出液の作用を受けると、水溶液の透過を可能にするように構成された気孔率をもつ微孔質疎水性チューブの遠端を植物の根系に隣接して配置する段階と；
    チューブ入口の上流で水溶液の圧力を調整する段階と；
    圧力を調整した水溶液をチューブの入口に導入する段階と；
    水溶液をチューブ入口から遠端に輸送する段階を含む前記方法。
23. ポリマーがポリヒドロキシスチレンを含む請求項２２に記載の方法。
24. チューブが第１のチューブを含み、更に、
    親水性ポリマーを被覆しており、内腔を壁で包囲しており、界面活性根滲出液の作用を受けると、栄養溶液の透過を可能にするように構成された気孔率をもつ第２の微孔質疎水性チューブの遠端を植物根系に隣接して配置する段階と；
    チューブ入口の上流で栄養溶液の圧力を調整する段階と；
    圧力を調整した栄養溶液を第２のチューブの入口に導入する段階と；
    栄養溶液を第２のチューブ入口から第２のチューブ遠端に輸送する段階を含む請求項２２に記載の方法。
25. 水溶液を植物に効率的に送達するための方法であって、
    親水性ポリマーからなり、内腔を壁で包囲しており、界面活性根滲出液の作用を受けると、水溶液の透過を可能にするように構成された気孔率をもつ微孔質親水性チューブの遠端を植物の根系に隣接して配置する段階と；
    チューブ入口の上流で水溶液の圧力を調整する段階と；
    圧力を調整した水溶液をチューブの入口に導入する段階と；
    水溶液をチューブ入口から遠端はで輸送する段階を含む前記方法。
26. ポリマーがポリヒドロキシスチレンを含む請求項２５に記載の方法。
27. チューブが第１のチューブを含み、更に、
    親水性ポリマーを被覆しており、内腔を壁で包囲しており、界面活性根滲出液の作用を受けると、栄養溶液の透過を可能にするように構成された気孔率をもつ第２の微孔質疎水性チューブの遠端を植物根系に隣接して配置する段階と；
    チューブ入口の上流で栄養溶液の圧力を調整する段階と；
    圧力を調整した栄養溶液を第２のチューブの入口に導入する段階と；
    栄養溶液を第２のチューブ入口から第２のチューブ遠端に輸送する段階を含む請求項２５に記載の方法。