土壌水分センサを用いた逓減イベント解析による定量的な圃場排水性評価手法
要約
土壌水分が時間とともに下がる排水過程の逓減曲線を得るには、従来は十分な長さの逓減イベントが必要だったが、多数の逓減イベントを重ね合わせることで、短いイベントでも逓減曲線を導出できる。飽和に近い状態から過剰水が排出される速さを回帰直線の傾きとして排水性を評価する。
- キーワード : 圃場排水性、過剰水、土壌水分センサ、逓減曲線、水田転換畑
- 担当 : 農村工学研究部門・農地基盤情報研究領域・農地整備グループ
- 代表連絡先 :
- 分類 : 普及成果情報
背景・ねらい
大豆や麦類は排水性の悪い水田転換畑で多く栽培され、安定生産のためには排水改善が欠かせない。排水対策を検討するには圃場排水性の把握が重要であるが、排水性は耕盤層や亀裂、地下水位、土性など様々な要因の影響を受けるため、現場の実態を踏まえた包括的な圃場排水性の評価方法が求められている。土壌水分センサはこれらの要因を総合的に反映したデータの取得が可能であり、公設研究機関をはじめ多様な主体で利用が広がっているものの、多くは定性的な比較にとどまっている。定量的な評価手法も提案されているが、従来の手法は数日間にわたる十分な長さの連続した排水過程の逓減イベントを必要とし、このようなデータが得られにくい排水不良圃場では評価が難しかった。そこで本研究では、排水過程の逓減イベントを多数重ね合わせることで、短い逓減イベントしか得られない圃場でも圃場排水性を定量的に評価する手法を提案する。
成果の内容・特徴
- 本手法は、栽培期間中に土壌水分センサで取得した体積含水率データを用いる。土壌水分の排水過程の逓減イベントから逓減曲線を導出し、飽和に近い状態から過剰水が排水する過程の速度を算出することで、圃場の排水性を定量的に評価できる。
- 以下、大豆栽培期間中の水田転換畑に本手法を適用した事例を示す。水田転換畑の排水性を評価するため、滞水が生じやすい耕盤2-3cm上の位置に土壌水分センサを設置した。使用したのはキャパシタンス式土壌水分センサであるが、排水過程の逓減イベントを捉えられれば種類は問わない。
- 解析手順は次のステップで行う。(i)体積含水率をモニタリングする(本事例では耕盤2-3cm上で観測)(図1)。(ii)土壌水分が一定時間(本事例では4時間)以上連続して逓減する区間を逓減イベントとして抽出する(図2)。(iii)排水過程の逓減イベントは最終的に1つの代表的な逓減曲線に収束すると仮定し、互いのイベントの重畳状況を確認しながら、イベントを時間軸方向に移動して重ね合わせた。起点の土壌水分が飽和に近い状態のイベントを基準とし、重なる部分の傾きがなるべく連続するように平行移動させながら調整し、逓減曲線を導出する(図3)。
- 得られた逓減曲線に対して2本の回帰直線を当てはめる(図4)。前半区間は排水開始から24時間まで、後半区間は36時間以降のデータで回帰し、2直線の交点を変曲点として抽出する。変曲点は過剰な水の排水が概ね完了した状態に相当し、飽和に近い状態から過剰水の排水が完了するまでの排水速度を前半区間の回帰直線の傾きとして評価する(図4)。
- 前半区間の回帰直線の傾きは、排水良好圃場では-4.1×10-3(m3 m-3 h-1;図4(i))、排水不良圃場で-2.5×10-3(m3 m-3 h-1;図4(ii))である。逓減イベントを重ね合わせて導出した逓減曲線を用いることで、排水性の定量的な評価に活用できる。
普及のための参考情報
- 普及対象 : 公設研究機関、普及指導機関、経営体。
- 普及予定地域・普及予定面積・普及台数等 : 排水性が課題となる水田転換畑など、圃場排水性の定量評価が必要となる圃場。
- その他 : 本手法は、抽出した逓減イベントの中に起点が飽和状態に近いイベントをいくつか含むことを前提としており、起点の土壌水分が低いイベントのみで評価した場合には、排水速度(回帰直線の傾き)が過小評価される可能性がある。また、土壌水分センサを耕盤上(表層から10-25cm程度)に設置した本事例では、飽和状態から過剰水の排水が完了するまでの排水速度の評価には、逓減曲線の起点から24時間までのデータを用いた回帰直線が有効であった。ただし、測定対象や圃場条件によっては、回帰に用いる時間範囲を適宜、調整する必要がある。
具体的データ
その他
- 予算区分 : 交付金、農林水産省(生産現場強化のための研究開発 : 多収阻害要因の診断法及び対策技術の開発)
- 研究期間 : 2015～2024年度
- 研究担当者 : 瑞慶村知佳、前川富也、長利洋、宮本輝仁
- 発表論文等 :
- 瑞慶村ら(2025)農業農村工学会論文集、320:I_29-I_43
- 瑞慶村ら、特願(2025年12月9日)