JP4636964B2 - 植物栽培装置における給水管理方法、給水管理用コンピュータプログラム及び給水管理装置 - Google Patents

Description

本発明は、温室内等で植物を栽培する植物栽培装置における給水管理に関する技術に関し、特に、緩効性肥料が施与された培地へ水を供給する際の給水管理方法、給水管理用コンピュータプログラム及び給水管理装置に関する。

特許文献１及び２では、湛液あるいは排液の肥料濃度（ＥＣ値）を測定し、次に供給する培養液の濃度を調整し、所定の培養液濃度を維持する養液栽培方法に関する技術を開示している。
特開平９−１６８３４０号公報 特開平９−６５７８３号公報

一方、近年、「緩効性肥料」の使用が普及してきている。緩効性肥料にはいくつか種類があるが、そのうち、肥効調節型肥料と呼ばれるものは、湿潤条件においては、給水量に拘わらずほぼ一定の肥料塩が溶出され続けるタイプのものであり、この特性を利用すると、給水量を適切に管理すれば培地内の肥料濃度を一定に保つことが可能である。しかしながら、従来、肥効調節型肥料などの緩効性肥料を置肥として施与した栽培では、給水量の調整基準は極めて曖昧であり、専ら栽培者の判断に委ねられ、上記特許文献１や２に開示された養液栽培のような厳密な管理は行われていないのが実状である。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、緩効性肥料を培地に施与して用いる栽培において、給水量を適切に管理でき、培地内肥料濃度を安定化させることができる植物栽培装置における給水管理方法、給水管理用コンピュータプログラム及び給水管理装置を提供することを課題とする。

上記した課題を解決するため、請求項１記載の本発明では、緩効性肥料が施与された培地へ供給する水の量を決定するための植物栽培装置における給水管理方法であって、
次回供給期における一定期間毎の給水量Ｙを、次式；
Ｙ＝Ｘ＋[（ｂ−ａ）Ｘ／（ａ−ｃ）]
（但し、式中、Ｘは前回供給期における一定期間毎の給水量、ａは目標培地内肥料濃度、ｂは測定培地内肥料濃度、ｃは供給する水に含まれる肥料成分の濃度である。）
により決定し、給水することを特徴とする給水管理方法を提供する。
請求項２記載の本発明では、前記式中、ａ＝目標培地内肥料濃度、ｂ＝測定培地内肥料濃度を、それぞれ、ａ＝目標排水肥料濃度、ｂ＝測定排水肥料濃度に置き換えて給水量Ｙを決定することを特徴とする請求項１記載の給水管理方法を提供する。
請求項３記載の本発明では、培地からの排水量Ｐを測定し、前記式中、「（ｂ−ａ）Ｘ」を「（ｂ−ａ）Ｐ」に置き換えて前記給水量Ｙを求めることを特徴とする請求項１又は２記載の給水管理方法を提供する。
請求項４記載の本発明では、温度及び日射量が基準温度及び基準日射量を上回る場合、植物による水の推定吸収増加量Ｗを前記式に加え、前記給水量Ｙを補正することを特徴とする請求項３記載の給水管理方法を提供する。
請求項５記載の本発明では、緩効性肥料が施与された培地へ供給する水の量を決定するための植物栽培装置において給水管理を行う給水管理装置に設定される給水管理用コンピュータプログラムであって、
次回供給期における一定期間毎の給水量Ｙを、次式；
Ｙ＝Ｘ＋[（ｂ−ａ）Ｘ／（ａ−ｃ）]
（但し、式中、Ｘは前回供給期における一定期間毎の給水量、ａは目標培地内肥料濃度、ｂは測定培地内肥料濃度、ｃは供給する水に含まれる肥料成分の濃度である。）
により決定し、演算する工程を含むことを特徴とする給水管理用コンピュータプログラムを提供する。
請求項６記載の本発明では、前記式中、ａ＝目標培地内肥料濃度、ｂ＝測定培地内肥料濃度を、それぞれ、ａ＝目標排水肥料濃度、ｂ＝測定排水肥料濃度に置き換えて給水量Ｙを決定する工程を含むことを特徴とする請求項５記載の給水管理用コンピュータプログラムを提供する。
請求項７記載の本発明では、培地からの排水量Ｐを測定し、排水量Ｐが入力されると、前記式中、「（ｂ−ａ）Ｘ」を「（ｂ−ａ）Ｐ」に置き換えて前記給水量Ｙを求める工程を含むことを特徴とする請求項５又は６記載の給水管理用コンピュータプログラムを提供する。
請求項８記載の本発明では、温度及び日射量が基準温度及び基準日射量を上回る場合、植物による水の推定吸収増加量Ｗを入力すると、該水の推定吸収増加量Ｗを前記式に加え、前記給水量Ｙを補正する工程を含むことを特徴とする請求項７記載の給水管理用コンピュータプログラムを提供する。
請求項９記載の本発明では、請求項５〜請求項８のいずれか１に記載の給水管理用コンピュータプログラムが設定されていることを特徴とする給水管理装置を提供する。

本発明によれば、次回供給期における一定期間毎の給水量を、目標培地内肥料濃度及び測定培地内肥料濃度を用いた所定の計算式を用いて決定するため、得られた給水量を供給すると、測定培地内肥料濃度が目標培地内肥料濃度に近づく。従って、水の供給量（給水量）を適切に制御でき、緩効性肥料を用いていながら、培地内肥料濃度を安定化できる。

本発明の給水管理方法は、次回供給期における一定期間毎の給水量Ｙを、次式；
Ｙ＝Ｘ＋[（ｂ−ａ）Ｘ／（ａ−ｃ）]・・・（１）
（但し、式中、Ｘは前回供給期における一定期間毎の給水量、ａは目標培地内肥料濃度、ｂは測定培地内肥料濃度、ｃは供給する水に含まれる肥料成分の濃度である。）
により決定し、給水する。

「供給期」とは、上記計算式を用いて求められた給水量Ｙで給水を行う一定の期間のことであり、培地内肥料濃度の測定間隔と一致する。「一定期間毎の給水量」における「一定期間毎」とは、培地内肥料濃度の測定間隔である一つの供給期よりも短い適宜の間隔をいい、例えば、１日に数回の給水を行う場合の「１日毎」、あるいは「数時間毎」ないしは「数日間毎」等の適宜の期間で決定できる。但し、夜間作物に給水を行うことはないため、通常は「１日毎」に設定される。

従って、「供給期」を「１週間」、「一定期間毎」を「１日毎」とした場合には、「次回供給期の一定期間毎の給水量Ｙ」とは、「次の１週間の各日において供給する１日分の給水量Ｙ」ということになる。また、「前回供給期の一定期間毎の給水量Ｘ」は、この場合、「今週の各日において供給していた１日分の給水量」を意味することになる。

また、例えば、毎日、上記計算式を用いて給水量Ｙを求める場合、「次回供給期」は「翌日」となり、「前回供給期」は「その前日」ということになる。この場合において、例えば、「一定期間毎」を「１日毎」に設定した場合には、１日の最後の給水後に培地内肥料濃度を測定し、その翌日は上記計算式により求めた新たな給水量Ｙを１日かけて供給する、ということになる。また、「一定期間毎」を「４時間毎」に設定した場合には、１日の最後の給水後に培地内肥料濃度を測定し、上記計算式により得られる新たな給水量Ｙを、その翌日に４時間かけて供給し、次の４時間でも同様の給水量を供給する、ということになる。

但し、一旦、適切な給水量を供給し始めてから、植物による水や塩の吸収、培地表面からの蒸発、肥料の種類や温度による溶出速度の変化によって、測定培地内肥料濃度と目標培地内肥料濃度とのずれが大きくなることから、標準的には、１週間に１回の割合で、毎日の給水量を設定し直すように、すなわち、給水量計算をし直すまでの「供給期」を「１週間」に設定し、「１日毎の給水量」を求めるようにすることが最も好ましい。

「給水」は、水道水等の水のみを供給する意味であり、所定の液体肥料を積極的に混入した培養液は含まない。

「目標培地内肥料濃度」は、栽培者が設定した目標とする排水濃度であり、栽培者の判断で植物の生育状況等に応じて設定でき、栽培の途中でも任意に変更できる。「測定培地内肥料濃度」は、前回供給期の最後の給水後に測定した培地内肥料濃度である。ここで、本発明では、培地内の肥料濃度の安定化が目的であるが、培地内の肥料濃度は、排水濃度とほぼ同等である。培地内肥料濃度の測定ももちろん可能であるが、測定作業の容易性を考慮すると排水濃度を用いることが効率的である。従って、上記式では、ａ＝目標培地内肥料濃度、ｂ＝測定培地内肥料濃度となっているが、それぞれ、ａ＝目標排水肥料濃度、ｂ＝測定排水肥料濃度に置き換えて給水量Ｙを決定することが作業性の点からは好ましい。なお、「水に含まれる肥料成分の濃度」は、水道水等の原水中に含まれる肥料成分の濃度のことである。

次に、上記（１）式を導いた理由を説明する。ここでは、ａ＝目標排水肥料濃度、ｂ＝測定排水肥料濃度を用いる場合について説明する。まず、植物による水や塩の吸収及び培地表面からの水の蒸発は、短期的には変動が小さいため無視できる。そこで、現在の測定した測定排水肥料濃度（ｂ）を目標排水肥料濃度（ａ）に近づけるためには、
目標排水肥料濃度（ａ）＝（測定時の塩の総量）／（変更後の水の総量）
・・・（２）
となるように、次に供給すべき給水の増加量ｙ’を決めてやればよい。

このとき、
測定時の塩の総量＝排水に含まれる塩＋培地に保持されている塩
＝測定排水肥料濃度（ｂ）×排水量＋培地内肥料濃度×培地内水分量
である。
しかしながら、ここでは、測定排水肥料濃度（ｂ）＝培地内肥料濃度と考えるため、
測定時の塩の総量＝測定排水肥料濃度（ｂ）×（排水量＋培地内水分量）
で表され、
変更後の水の総量＝排水量＋培地内水分量＋給水増加量
で表される。

そして、植物による水の吸収と蒸発を無視すると、培地には最初に潅水させているため、排水量＝給水量（今までに供給した一定期間毎の給水量（Ｘ））に置き換えられる。また、供給する水に含まれる肥料成分を考慮すると、給水の増加量を決める上記（２）式は、
目標排水肥料濃度（ａ）−水の肥料濃度（ｃ）
＝[（測定排水肥料濃度（ｂ）−水の肥料濃度（ｃ））×（給水量（Ｘ）＋培地内水分量（Ｚ））]／[給水量（Ｘ）＋培地内水分量（Ｚ）＋給水増加量（ｙ’）]
となる。

つまり、
ａ−ｃ＝（ｂ−ｃ）（Ｘ＋Ｚ）／（Ｘ＋Ｚ＋ｙ’）・・・（３）
となる。

しかしながら、培地に保持されている塩を（ｂ−ｃ）Ｚとすると、理論上では、給水設定変更後の最初の供給期間（例えば、１日）で目標排水肥料濃度に達することになり、その際の培地に保持されている塩は（ａ−ｃ）Ｚとなる。従って、その状態で給水を続けると、測定排水肥料濃度が上がりすぎたり下がりすぎたりしてしまうため、目標排水肥料濃度に到達後、すぐに給水設定を変更し直さなければならない。そこで、本発明者は、測定排水肥料濃度を目標排水肥料濃度に徐々に近づけるようにすることに着目し、上記（３）式の（ｂ−ｃ）Ｚを（ａ−ｃ）Ｚに置き換えることにした。すなわち、培地に保持されている塩の量を、実際に測定した際の量ではなく、目標とする量を基準にして調整することで、複数回の給水を行って初めて目標とする排水濃度に近づくように調整するものである。

従って、上記（３）式は、
ａ−ｃ＝（（ｂ−ｃ）Ｘ＋（ａ−ｃ）Ｚ）／（Ｘ＋Ｚ＋ｙ’）・・・（４）
となり、
これをｙ’について解くと、
ｙ’＝（ｂ−ａ）Ｘ／（ａ−ｃ）・・・（５）
となる。

ｙ’は、次回供給期の一定期間毎の給水の増加量であるため、次回供給期における一定期間毎の給水量Ｙは、
Ｙ＝Ｘ＋ｙ’
＝ Ｘ＋[（ｂ−ａ）Ｘ／（ａ−ｃ）]・・・（１）
となり、上記（１）式が得られる。

ここで、本発明において、目標排水肥料濃度（ａ）、測定排水肥料濃度（ｂ）、水に含まれる肥料成分の濃度（ｃ）の値は、便宜的に濃度を推定しやすいことから、電気伝導度（ＥＣ）の値を用いることが好ましい。但し、電気伝導度以外であっても、各液体の濃度を推定できる数値であればよく、浸透圧、硝酸イオン濃度等を用いることも可能である。

上記（１）式は、水を供給する給水部を備えた植物栽培装置に付設される、コンピュータからなる給水管理装置に設定される給水管理用コンピュータプログラムとして提供される。従って、栽培者は、該給水管理装置に、目標排水肥料濃度（ａ）、測定排水肥料濃度（ｂ）、水に含まれる肥料成分の濃度（ｃ）を入力すると、上記（１）が設定された給水管理用コンピュータプログラムが起動し、給水量Ｙが出力される。そして、給水管理装置は、出力された給水量Ｙに従って、給水部を制御し、該給水量Ｙを培地に供給する。この場合、測定排水肥料濃度（ｂ）及び水に含まれる肥料成分の濃度（ｃ）は、自動的に測定できる構成としてもよく、その場合、栽培者は、最初に目標排水肥料濃度（ａ）を入力するのみで、測定排水肥料濃度（ｂ）及び水に含まれる肥料成分の濃度（ｃ）は自動的に制御部に入力され、その後の給水制御も含め全て自動で制御されることになる。

（実施例）
「供給期」を「１週間」、「一定期間毎の給水量」を「１日毎の給水量」としてＹを求め、すなわち、１週間に１回の割合で、１日毎に供給すべき給水量Ｙを設定し直す条件で、２００４年１０月から２００５年４月にかけてイチゴの栽培実験を行った。なお、濃度は電気伝導度（ＥＣ）の値を用い、目標排水肥料濃度（ａ）を０．４ｍＳ／ｃｍとした。また、供給した水の電気伝導度は、０．１９ｍＳ／ｃｍであった。結果を次表に示す。また、表１の「排水ＥＣ値」の変化を図１（ａ）にグラフとして示し、給水量の変化を図１（ｂ）にグラフとして示す。

表中、「排水ＥＣ値」は、測定排水肥料濃度（ｂ）であり、「給水量」は、上記計算式（１）により得られた、次の１週間で供給する１日毎の給水量（Ｙ）である。

例えば、１０月１９日の計算では、栽培作業終了時に測定した「排水ＥＣ値（測定排水肥料濃度（ｂ））」：０．３３ｍＳ／ｃｍ、前回供給期である前の週（１０月１２日の計算を利用した週）における１日毎の給水量（Ｘ）：２５８０ｍｌ／ｍを使用し、Ｙを求めると１７２０ｍｌ／ｍが得られる。そこで、１０月２０日から１０月２６日までは、毎日１７２０ｍｌ／ｍずつ給水した。

このようにして、給水量の設定変更を繰り返した結果、表１及び図１（ａ）から、排水ＥＣ値が、徐々に目標排水肥料濃度（ａ）の０．４ｍＳ／ｃｍに近づいていき、本発明の給水管理方法が、緩効性肥料を用いた栽培において、培地内肥料濃度を安定化するのに有用であることがわかる。

なお、上記（１）式による給水管理では、植物による水の吸収量を考慮していない。しかしながら、天候によっては、植物の水の吸収量が大きく変動し、排水が濃縮され、測定排水肥料濃度（ｂ）が激しく増減する場合もある。植物による水の吸収量は、栽培環境の温度と日射量に比例するため、これらを随時測定することで推定可能である。そこで、温度と日射量を随時測定し、温度及び日射量が基準温度及び基準日射量を上回る場合、植物による水の推定吸収増加量（Ｗ）を上記（１）式に加え、給水量Ｙを補正する。但し、上記（１）式においては、植物による水の吸収と蒸発が短期的には無視できると仮定し、排水量＝給水量（今までに供給した一定期間毎の給水量（Ｘ））に置き換えて計算しているが、植物による水の吸収量が大幅に変化する場合には、排水量＝給水量（今までに供給した一定期間毎の給水量（Ｘ））と見なすことが困難になるため、排水量（Ｐ）を直接測定して、新たな給水量Ｙを算出することが好ましい。

すなわち、温度及び日射量の大きな変動があった場合には、次式；
Ｙ＝Ｘ＋[（ｂ−ａ）Ｐ／（ａ−ｃ）]＋Ｗ・・・（６）
により給水量Ｙを決定する。

上記（１）式により給水設定を変更した供給期内において、温度及び日射量の大きな変動があった場合には、給水量Ｙを上記（６）式により算出し直し、その次の給水時においては、（６）式により算出した給水量Ｙを供給する。但し、温度及び日射量が基準温度及び基準日射量に収まった場合には、植物による水の推定吸収増加量（Ｗ）を考慮せずに、改めて上記（１）式により給水量Ｙを求めて、供給する。

また、温度及び日射量の大きな変動が継続する場合には、Ｘとして、前日の給水量を使用して（６）式を用いて給水の度に給水量Ｙを毎日計算し直すようにしてもよい。これにより、天候に合ったよりきめ細かな給水管理を行うことができる。

また、緩効性肥料として、温度により一定比率で溶出速度が変動するものを用いた場合、緩効性肥料周辺の温度を測定して推定溶出増加量Ｖを求め、給水量Ｙを求めることができる。

すなわち、次回供給期における一定期間毎の給水量Ｙを、次式；
Ｙ＝Ｘ＋[（（ｂ−ａ）Ｘ＋Ｖ）／（ａ−ｃ）]・・・（７）
により決定する。

この場合、１週間に１回だけ温度を測定したのでは適切な制御ができないおそれがあるため、温度は随時測定し、測定の度に（７）式により給水量Ｙを調整することが好ましい。例えば、毎日、温度を測定し、Ｘとして前日の給水量を使用して、翌日の給水量Ｙを毎日計算し直すようにする。これにより、温度により溶出速度が変動する緩効性肥料を用いた場合でも適切な給水管理を行うことができる。なお、この場合も、温度及び日射量に大きな変動が合った場合には、（６）式と同様、（７）式に、植物による水の推定吸収増加量（Ｗ）を加えると共に、排水量（Ｐ）を直接測定し、（７）式の「（ｂ−ａ）Ｘ」を「（ｂ−ａ）Ｐ」に置き換えて、（７）式により得られる給水量Ｙを補正することが好ましい。

なお、上記（１）式においては、植物による水の吸収と蒸発が短期的には無視できると仮定し、排水量＝給水量（今までに供給した一定期間毎の給水量（Ｘ））に置き換えて計算しているが、排水量（Ｐ）が直接測定でできる場合には、上記（１）式においても、「（ｂ−ａ）Ｘ」を「（ｂ−ａ）Ｐ」に置き換えて計算すれば、より正確な給水管理を行うことができる。

また、上記各温度、日射量、排水量は、それらを自動的に測定できる装置を用い、植物栽培装置に付設された給水管理装置にフィードバックする構成とすることにより、（６）及び（７）式を用いた制御も自動的に行うことができる。

図１（ａ）は、実施例の排水ＥＣ値の変化を示す図であり、図１（ｂ）は、実施例の給水量の変化を示す図である。

Claims (9)

1. 緩効性肥料が施与された培地へ供給する水の量を決定するための植物栽培装置における給水管理方法であって、
   次回供給期における一定期間毎の給水量Ｙを、次式；
   Ｙ＝Ｘ＋[（ｂ−ａ）Ｘ／（ａ−ｃ）]
   （但し、式中、Ｘは前回供給期における一定期間毎の給水量、ａは目標培地内肥料濃度、ｂは測定培地内肥料濃度、ｃは供給する水に含まれる肥料成分の濃度である。）
   により決定し、給水することを特徴とする給水管理方法。
2. 前記式中、ａ＝目標培地内肥料濃度、ｂ＝測定培地内肥料濃度を、それぞれ、ａ＝目標排水肥料濃度、ｂ＝測定排水肥料濃度に置き換えて給水量Ｙを決定することを特徴とする請求項１記載の給水管理方法。
3. 培地からの排水量Ｐを測定し、前記式中、「（ｂ−ａ）Ｘ」を「（ｂ−ａ）Ｐ」に置き換えて前記給水量Ｙを求めることを特徴とする請求項１又は２記載の給水管理方法。
4. 温度及び日射量が基準温度及び基準日射量を上回る場合、植物による水の推定吸収増加量Ｗを前記式に加え、前記給水量Ｙを補正することを特徴とする請求項３記載の給水管理方法。
5. 緩効性肥料が施与された培地へ供給する水の量を決定するための植物栽培装置において給水管理を行う給水管理装置に設定される給水管理用コンピュータプログラムであって、
   次回供給期における一定期間毎の給水量Ｙを、次式；
   Ｙ＝Ｘ＋[（ｂ−ａ）Ｘ／（ａ−ｃ）]
   （但し、式中、Ｘは前回供給期における一定期間毎の給水量、ａは目標培地内肥料濃度、ｂは測定培地内肥料濃度、ｃは供給する水に含まれる肥料成分の濃度である。）
   により決定し、演算する工程を含むことを特徴とする給水管理用コンピュータプログラム。
6. 前記式中、ａ＝目標培地内肥料濃度、ｂ＝測定培地内肥料濃度を、それぞれ、ａ＝目標排水肥料濃度、ｂ＝測定排水肥料濃度に置き換えて給水量Ｙを決定する工程を含むことを特徴とする請求項５記載の給水管理用コンピュータプログラム。
7. 培地からの排水量Ｐを測定し、排水量Ｐが入力されると、前記式中、「（ｂ−ａ）Ｘ」を「（ｂ−ａ）Ｐ」に置き換えて前記給水量Ｙを求める工程を含むことを特徴とする請求項５又は６記載の給水管理用コンピュータプログラム。
8. 温度及び日射量が基準温度及び基準日射量を上回る場合、植物による水の推定吸収増加量Ｗを入力すると、該水の推定吸収増加量Ｗを前記式に加え、前記給水量Ｙを補正する工程を含むことを特徴とする請求項７記載の給水管理用コンピュータプログラム。
9. 請求項５〜請求項８のいずれか１に記載の給水管理用コンピュータプログラムが設定されていることを特徴とする給水管理装置。

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