プレスリリース
(研究成果)ドローンデータの補正による 新たな水稲生育診断・追肥量算出システムを開発

米の収量や品質の安定化は、生産者の収益の安定化に繋がるため、極めて重要です。しかしながら、近年、米の収量や品質は、異常気象・気候変動の影響による不安定化が懸念されています。例えば、2019年及び2020年の九州地域では、栄養成長期²⁾の日照不足、登熟期³⁾の高温、台風や虫害等の影響で作況指数や1等米比率が大幅に低下しており、技術的対策が重要となっていました。また、水田作経営体では、農業者の高齢化に伴って担い手への農地集積が進んでいるため、特に大規模経営体では、効率的に水稲を栽培管理できる技術の導入が求められています。

窒素は、水稲を栽培する上で最も重要な肥料成分の1つです。出穂20日前～出穂期⁴⁾頃の窒素追肥量を増加させると、収量が増加するほか、登熟期の気温が高い場合に発生する基部未熟粒⁵⁾や背白粒⁶⁾が減少します(図1)。一方、過剰な窒素追肥は、収穫作業を困難にしたり減収の原因になったりする倒伏や、食味低下に結びつく玄米タンパクの上昇を助長します。このため、生育診断により水稲の生育状況を把握した上で適量の追肥を行うことが重要になります。これまで、地上で生育診断をするとなると、ほ場毎又は領域毎にNDVI等を取得する必要があり、膨大な時間を要していました。

近年、ドローンの利用は、水稲の農薬や肥料の散布で先行して普及が進んでいるほか、生育診断でも始まっています。しかしながら、ドローンによる上空からの生育診断では、太陽光を植物群落が反射した光を測定しており、太陽高度や日射量の影響を受けます。このため、生育診断に用いるNDVI等は、同じ植物群落であっても撮影日時によって異なってしまいます(図2)。一方、地上において、測定器の光を植物群落が反射した光を測定する場合には、NDVI等が測定日時の太陽高度や日射量の影響を大きく受けません。

本研究では、2020年及び2021年に得たNDVIと収量との関係を調べました。その結果、地上NDVIは、上空NDVIに比べ、収量との相関が高いことを明らかにしました(図3a、b)。さらに、上空NDVIを地上NDVIで補正すると、収量との相関が上空NDVIに比べて高くなることも明らかにしました(図3)。そこで、ドローンによる広範囲の上空NDVIを数か所の地上NDVIで補正することで、広範囲の全てのほ場について、地上NDVIを取得する場合に比べて簡易で、かつ、上空NDVIのみを利用する場合に比べて精確な生育診断を行い、その結果に基づいて、目標とする収量等に応じて追肥量を算出するシステムの開発を行いました。

今回開発した水稲生育診断・追肥量算出システムの中で、収量を目標にする場合の作業手順(1～5)(図4)及び実証概要(6)(表1)は、以下の通りです。

• 水稲の出穂1～4週間前に、マルチスペクトルカメラ⁷⁾搭載のドローンで生育診断したい全てのほ場の画像を撮影し、画像解析ソフトで上空NDVIを取得します。
• 1と同じ時期に、地上において自ら光を発する測定器で、生育が良い部分、悪い部分、その中間の部分等、3か所程度の地上NDVIを測定します。測定地点を増やすと精度が高まりますが、移動時間を含めずに1か所当たり数分の測定時間が掛かります。この際、地上NDVIの測定は、対応する上空NDVIが得られる場所であれば、ほ場内のどこで行っても構いません。
• 上空NDVIと地上NDVIとの相関関係から回帰式⁸⁾(地上NDVI=a×上空NDVI+b、aは傾きでbは切片)を求め、全てのほ場の上空NDVIを地上NDVIで補正します(図5)。
• あらかじめ生育ステージ毎に作成しておいた追肥量算出式⁹⁾(必要追肥量=c×目標収量+d×地上NDVI+e、c及びdは傾きでeは切片)に目標収量及び補正したNDVIを代入し、必要追肥量を求めます。
• 基肥として緩効性肥料¹⁰⁾を利用した場合には、地温や気温から基肥残存量を求め、4で算出した必要追肥量(仮必要追肥量)から差し引き、必要追肥量を求めます(必要追肥量=仮必要追肥量−基肥残存量)。
• 2021年に行った本システムの現地実証試験では、目標収量を600 kg/10aとして、全てのほ場の上空NDVIを3筆の地上NDVIで補正して算出した必要追肥量(全ての追肥ほ場の平均値、以下同様)は3.4～3.5 kg N/10aとなり、全てのほ場について地上NDVIのみで算出した必要追肥量(3.3～3.4 kg N/10a)に極めて近い値となりました(表1)。一方、地上NDVIで補正せずに上空NDVIのみで算出した必要追肥量は6.9～16.7 kg N/10aとなりました。実際に、本システムで算出した必要追肥量を尿素で施用すると、倒伏や玄米タンパクの有意な増加を伴うことなく、目標値に近い実収量592±13 kg/10a(目標収量±5%以内)を得ることができました。なお、基部未熟粒及び背白粒は、両者合わせて5%となりました。また、2022年にも同様の現地実証試験を行ったところ、2021年と同程度の追肥量が算出され、目標値に近い実収量を得ることができました。本システムは、肥料価格の高騰が問題となる中で、追肥時に過剰な肥料の投入を防ぐため、肥料代の削減にも繋がります。

今回開発した水稲生育診断・追肥量算出システムは、大規模生産者や民間企業等が農研機構提供のMicrosoft Excelで作成したプログラムを通じて利用できます。それに加えて、利便性の向上に向けてAPI¹¹⁾を開発しました。開発したAPIについては、民間企業等が農業データ連携基盤(WAGRI)を介して各社の営農管理システム等で利用できるよう農研機構のサーバーに搭載しました。

また今回、全国で最も広く栽培されている品種「コシヒカリ」及び西日本の主力品種「ヒノヒカリ」について追肥量算出式を作成したため、本システムは全国の作付面積の40%以上に対応することができます。今後、農研機構や公設試験研究機関育成の他の水稲品種について、各組織が追肥量算出式を作成・追加することにより、利便性が向上すると考えられます。また、麦類についても、追肥量算出式を作成しているところです。

このほか、本システムではドローンによる広範囲の上空データを数か所の地上データで補正することにより簡易に精確な生育診断値を得られるため、今後はNDVIによる必要追肥量の算出だけでなく、新たな算出式の作成により、病害虫や雑草の管理のための農薬散布等にも利用できる可能性があります。