專利名稱：營養液栽培裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及土壤水分量的測定，和利用土壤水分量測定的栽培方法和栽培裝置，特別是涉及為了使土壤管理容易，可以節水，節省資源和節省勞動力，測定土壤水分量，將土壤水分量換算成pF值決定土壤pF值的方法，和根據測定的pF值控制向土壤供給水或培養液的澆水控制方法及其裝置。此外，這里所謂的土壤一般是指支持植物體的根，地下莖等的地中部位的物體，也包含除了所謂的“土”以外的沙，礫，碳，浮石那樣的固形栽培土等在內。
背景技術：
在土壤中進行農作物栽培時，因為土壤含水量對農作物成長具有很大的影響，所以在含水量高的土地上要經常排水，反之在含水量低的土地上需要澆水，另外，在季節性少雨的時期澆水量增多等，都是很費工夫的。因此，為了使農作物良好成長，必須正確知道土壤中的含水量。
另外，當栽培色拉菜和西紅柿等高級蔬菜時，不是在旱田等中進行，而是需要例如在開闊地設施和屋內設施等中精密地進行環境管理，同時如同工廠生產般地進行栽培。我們將這樣的栽培方法稱為設施栽培法。在旱田等中的栽培中，使用一方面用肥料等對土壤施加營養，另一方面對作物灑水那樣的栽培方法，但是在設施栽培法中，最好使用鋪滿沙，礫，碳等作為栽培土(培養基)，通過澆水給予營養水液的營養液栽培法。可是，在現實的栽培，特別是營養液栽培中，現狀是不一定能夠做到最佳的澆水。
對營養液栽培進行大致分類時，可以分成水耕作，噴霧耕作和固形栽培土耕作3種，其中在固形栽培土耕作的栽培方式中，多用點滴掛流。在這種點滴掛流方式中，一般通過定時器等進行自動澆水是主流，但是不一定能夠做到最佳的澆水。這是因為與栽培作物有關的栽培營養液的吸收量受到日照量，溫室的溫度和濕度等的左右。例如，日照量多時，溫室的溫度升高，如果濕度低，則來自栽培作物的蒸發量變得非常大。另外，相反地在下雨的日子等中，來自栽培作物的蒸發量減少。另外，營養液的吸收量與栽培作物的成長過程有很大的關系，栽培作物成長時營養液的吸收量變得非常大。另外，果實類等成長到某種程度后要抑制水的供給量進行栽培，才能夠得到糖度高的高品質的果實，這是眾所周知的。可是，在用定時器等進行自動澆水的情況下，就不能夠追隨這種栽培作物的環境條件和成長過程，為了能夠忠實地追隨，必須每天重新設定澆水次數，澆水開始時刻和澆水時間等。
因此，即便說是用定時器等進行自動澆水也沒有用處，如何能實現最佳澆水是令人懷疑的。因為這種理由，用定時器等進行自動澆水時，為了不引起作物的枯萎等常常進行過多的澆水，無法避免由于過剩澆水引起根部腐爛，排水量增大(即廢棄的營養液和水的量增大)等問題。
可是，當我們觀察土壤中的含水量與農作物栽培之間的關系時，土壤中的水不能被農作物全部利用，例如土壤中的結合水就不能用于農作物的生育。又當考慮由于氣候變化土壤含水量的變化時，當下大雨時土壤中全是水，但是此后，水徐徐地向下吸入，土壤的含水量降低。土壤中全是水的狀態是與水耕作栽培相同的狀態，通氣性惡劣，不一定適合于露天栽培。其次，在土壤的含水量降低的階段，當水分相當地下降，降低到某個界限以下時，根部就不能夠將水吸上來，使根部的毛細管聯絡被切斷，進入根部枯萎的狀態。因為當進入這種狀態時，即便此后供給水也不能使根部枯萎恢復，所以必須使土壤的含水量保持在將這個狀態作為下限的限度以上。
因為這樣的土壤的含水狀態是由土壤中的含水潛力決定的，所以我們認為單純地用土壤的含水量來表示與農作物栽培有關的土壤的含水狀態是不適當的。因此，根據土壤的含水潛力表示含水狀態的方法是最好的。
可是，表示土壤的含水狀態的因子之一是“pF值”。所謂的pF值是由R.K.Schofield在1935年提出的，是關于土壤的含水潛力內的基體潛力的指標值。所謂的基體潛力是根據毛細管力，分子間力，庫侖力等的水與土壤顆粒的相互作用的化學潛力的下限量。需要時，可以用所謂的基體潛力表示土壤顆粒吸引水分子的力的強弱。我們將用水柱單位(cm)表示的基體潛力的絕對值的常用對數稱為“pF值”。用水柱單位(cm)表示的土壤含水的潛力φ和“pF值”之間存在著pF＝log(-10.2φ)的關系。
pF值是表示土壤中所含的水(在營養液栽培中為培養液)的品質的量。當pF值在0附近時，表示土壤充滿水的狀態。降雨和灌溉的24小時后殘留在土壤中的水分(圃場容水量)為pF1.7左右，從此到作物開始枯萎的初期枯萎點(pF3.8)的水稱為有效水。可是，作物的生育在水分比初期枯萎點多時就開始出現障礙。這是作物根部的毛細管聯絡被切斷，水從作物根部的移動停止的狀態時刻，將這稱為毛細管聯絡切斷點，pF值約為2.7。所以，一般地當栽培作物時，pF值在pF1.7～pF2.7之間最適合。從而將pF1.7～pF2.7之間的水分稱為易效水，在土壤中栽培農作物時，需要保持這個pF1.7～pF2.7的易效水狀態。此外，關于pF值和土壤的含水潛力，例如在“土壤環境分析法”，日本土壤肥料學會監修，土壤環境分析法編集委員會編，博友社刊印，1997年第1次印刷發行，48～51頁；“土壤環境圈”，巖田進午等監修，フジテクノシステム股份有限公司發行，1997年，72～76頁；“土壤診斷的方法和活用”，藤原俊六郎等著，社團法人農山漁村文化協會發行，1996年，72～77頁；“最新土壤學”，久馬一剛編，朝倉書店發行，1997年，101～107頁等中作了說明。
在土壤中進行農作物栽培時，希望以這個pF值作為基準進行澆水等的作業。
關于pF值的測定法，我們知道作為能夠在野外對土壤直接進行的測定法的典西歐米塔(テンシオナ-タ)法。
作為能夠有效地用于實際栽培中的澆水控制的測定法，必須照舊測量圃場中的土壤的容水量。所以，在一般的圃場中，典西歐米塔法作為簡單地測量土壤pF值的方法，可用于進行最佳澆水等的管理。所謂的典西歐米塔法就是將由多孔性杯(探頭)和硬質透明氯化乙烯管構成的典西歐米塔埋設在土壤中，用水充滿典西歐米塔，通過多孔性杯(探頭)的壁按照水的作用機理將土壤水分與管內的水連接起來，在土壤的基體潛力與管內壓力處于平衡的狀態中讀取管內壓力作為土壤的基體潛力的方法。關于“典西歐米塔法”的詳細情形，例如記載在上述“土壤環境分析法”，59～62頁等中。
但是，至今一直在使用的典西歐米塔法，因為需要向場地中的裝置內補給水分，所以對傳感器(典西歐米塔)的管理非常費勁，我們希望能夠用更加簡單的方法，或更加簡單的裝置測定土壤pF值的方法。另外，也存在著即便是土壤由于它的品質不同不適合用典西歐米塔法的情形。
即，由粗的顆粒構成的土壤，例如在具有在營養液栽培等中使用的浮石顆粒等那樣的多孔質表面的粗大顆粒的固形栽培土中，就不能使用這種典西歐米塔法。
這是因為由于栽培土粗，栽培土顆粒不能與典西歐米塔的探頭表面全體緊密接觸，從而栽培土顆粒的水不能與探頭表面緊密接觸，所以不能得到正確的測定。因此，至今即便在粗大顆粒的固形栽培土耕作中也希望根據pH值進行澆水控制，而同時又沒有完全進行將pH值作為指標的澆水控制，這就是實際情況。
作為能夠直接測定土壤中的pH值的方法，現在還沒有找到能夠取代典西歐米塔法的方法。
可是，作為調查土壤保水性的方法，在最近令人注目的方法中，測定土壤介電常數，從而求得土壤體積含水率的方法尤其令人注目，正在使從電脈沖的傳播時間求得土壤介電常數的TDR(Time DomainReflectometry(時域反射測量法))，和從電脈沖的頻域中的特性求得土壤介電常數的FDR(Frequency Domain Reflectometry(頻域反射測量法)實用化。另外，作為更簡便廉價地測定土壤體積含水率的方法提出了通過測定阻抗的ADR(Amplitude Domain Reflectometry(振幅域反射測量法))。關于這些方法記載在上述的“土壤環境分析法”，62～64頁；Topp，G.G.et.al.(1980)Electromagneticdetermination of soil water contentMeasurements in coaxialtransmission lines，Water Resources Research，16，574-582；堀野治彥·丸山利輔(1993)用3線式探頭測量土壤水分的TDR法，農業土木學會論文集，168，119～120頁；巽北平等(1996)用FDR法測定現場的土壤水分，農業土木學會論文集，182，31～38頁；中島誠等(1997)用ADR法測定土壤水分量，日本地下水學會1997年春季講演要旨集，18～23頁等中。特別是，當用ADR法時，測定非常簡便，相關性也很高，測定裝置構造簡單，容易維護也容易操作，能夠進行連續的測定，是所謂的不需要維護的裝置。但是，因為這些方法求土壤體積含水率，所以不能夠直接求得土壤pH值。
本發明的目的是提供不用典西歐米塔法，利用調查土壤保水性的方法能夠測定土壤pH值的裝置。
另外，本發明的目的是提供利用調查土壤保水性的方法即時并且連續地測定土壤pH值，用這個測定值控制澆水的方法和裝置。
進一步，本發明即便在用典西歐米塔法等不能夠直接測定土壤pH值的情況下，也能提供能夠測定其土壤pH值，特別是能夠連續地進行測定的方法，用這個測定值控制澆水的方法和裝置。
本發明的目的是進一步提供在固形栽培土耕作中的營養液栽培中，在不能使用典西歐米塔那樣的土壤，特別是浮石那樣的多孔質大徑顆粒的情況下，一面利用測定簡單又容易的保水性測定方法，一面可以根據pH值進行澆水控制的測定土壤水分量的方法和裝置。進一步，本發明的目的是提供在固形栽培土耕作中的栽培中，可以根據pH值進行澆水控制的澆水控制方法和裝置。
發明內容
本發明者，為了達到上述目的反復進行銳意研究，結果，著眼于在用上述ADR法等能夠比較簡單地測定的土壤體積含水率與pH值之間與土壤種類，即土性有關的相關關系，發現能夠在預先求得關于測定對象的土壤的體積含水率與pH值的之間的相關關系的基礎上，通過測定土壤體積含水率，從土壤體積含水率求得pH值，根據這個pH值對澆水進行控制，從而完成本發明。
即，本發明是測定土壤pH值(土壤水分張力)的方法，提供以下列步驟為特征的土壤pH值的測定方法(a)對于測定測定對象的土壤預先求得pH值與體積含水率的相關關系；(b)測定土壤體積含水率；和(c)根據在上述工序(a)中得到的pH值與體積含水率的相關關系，將由上述工序(b)測定的土壤體積含水率的值換算成土壤pH值。
圖1是用ADR法的測定計的概要說明圖。(a)是正面圖，(b)是平面圖。
圖2是表示在實施例1中進行的用ADR法測定火山灰與沙子的沉積物浮石土壤時傳感器的輸出電壓與體積含水率θ之間的關系的曲線圖。
圖3是用于測定pH值與體積含水率的相關關系(水分保持曲線)的加壓板法的概要說明圖。
圖4是用于測定水分保持曲線的沙柱法的概要說明圖。
圖5是表示栽培土的體積含水率與pH值的關系的曲線圖，(a)是粉末試料的曲線圖，(b)是混合試料的曲線圖，(c)是浮石試料的曲線圖。
圖6是表示在本發明的實施例中使用的澆水自動控制栽培裝置的概略的圖。
具體實施形式與本發明有關的方法是以測定土壤體積含水率，從這個體積含水率求得土壤pH值的概念為基礎的。
土壤的保水性能夠用各種因子表示出來，體積含水率，pH值等也是其中的一個因子。作為測定體積含水率的方法也可以舉出采取土壤樣品測定它的水分重量的重量法等，但是為了在現場直接測定這個土壤體積含水率，采取樣品進行測定的方法因為不能夠進行連續測定等所以不能使用。
土壤體積含水率作為在圃場現場直接測定的方法是最近特別令人注目的測定方法，它是用電脈沖方式測定土壤介電常數求得土壤體積含水率的方法。這個方法具有因為測定土壤的某個范圍，所以測定值的變動小，測定作業也簡單的優點。另外，該方法能夠非常快地進行測定，容易進行連續測定，電輸出信號與體積含水率的相關性也很高。但是，能夠用電脈沖方式測定的是土壤體積含水率，還沒有開發出從體積含水率求得作為植物可以利用的水分量的指標的pH值的方法。
電脈沖方式的代表方法是TDR法，它的測定原理是水的相對介電常數為81，土壤固形物質的相對介電常數約為4，都顯著地大于空氣的相對介電常數1，利用在土壤外表的相對介電常數和水分量之間存在著的經驗相關性，測定土壤體積含水率。具體的測定方法是在土壤內插入2或3針的平行電極，在這些電極上加上微波，測定其干涉反射波的傳播時間。當電極長度為L，反射波的傳播時間為t時，微波的傳播速度V由V＝2L/t給出。理論上相對介電常數Ka與微波的傳播速度V的2次方成反比，所以能夠從Ka＝(C/V)2求得相對介電常數。此外，這里C為真空中的光速。
作為類似的方法，還有從在干涉反射波的頻域中的特性求土壤介電常數的FDR法。這些方法是能夠測定土壤體積含水率，可以用于本發明方法的方法。
可是，這些方法存在著需要為了測定脈沖傳播速度的高價的示波器等的缺點。
最近，已經開發出作為具有與這些方法匹敵的性能，但是能夠更簡單地進行測定的ADR法。這種ADR法是通過簡單的阻抗測定簡單并廉價地測定土壤的土壤體積含水率的方法。所以，這是用于本發明的更好的方法。
ADR法在利用土壤的相對介電常數Ka受到體積含水率(θ)的很大影響的原理，在從Ka-θ關系求得θ這點上與上述TDR法和FDR法相同，但是ADR法作為相對介電常數Ka的測定方法，在測定當高頻電脈沖通過土壤中的探頭來回往復時的傳輸線的阻抗(Z)求Ka這點上是不同的。
圖1是根據ADR法的土壤水分傳感器1的概要圖。(a)是它的正面圖，(b)是它的平面圖。這個傳感器探頭在本體部分2中內藏100Mhz的(シスンイド)振蕩器，同軸傳輸線區域和測定電子電路，傳感器部分3由4根平行的不銹鋼制成的棒構成。如(b)所示，在傳感器部分3的棒中，中央1根是信號棒5，外側3根是在信號棒周圍形成電屏蔽的屏蔽棒6。這個傳感器部分具有與在作為傳輸線附加區域進行工作的，由屏蔽棒6包圍的直徑26.5mm的范圍中的土壤的介電常數大致有關的阻抗Z。
振蕩器的信號沿傳輸線在傳感器探頭中傳播，當傳感器部分3的Z與本體部分的同軸傳輸線的Z不同時，從信號棒和傳輸線的連接部分4反射回來某個大的信號。這個反射回來的信號比例稱為反射系數ρ。
反射系數受到成為通過入射波與反射波發生干涉產生電壓駐波的原因的入射信號，即沿饋電線的長度的電壓振幅的干涉。
而且，因為使傳輸線的初期峰值電壓V0與連接部分處的峰值電壓Vj具有一定關系那樣地進行設計，所以可以用傳輸線的阻抗與土壤基體中的探頭的阻抗成為函數的關系式表示振幅差。
通過測定這個振幅差，傳感器部分的相對阻抗Z可以由下式表示Z=60Ka[F·r2r1]]]>從而可以求得介電常數Ka。在上式中，r1和r2是信號電極與屏蔽電極的半徑，F為形狀因子。能夠從求得的土壤相對介電常數Ka用下列經驗公式θ＝-5.3×10-2+2.92×10-2Ka-5.5×10-4Ka2+4.3×10-6Ka3求得體積含水率θ(m3·m-3)。
此外，電壓駐波的振幅具有隨著土壤水分增多(相對介電常數增大)而減小的特性。這時，由別的重量法等測定這個土壤的含水量，用ADR法等進行測定求它的輸出信號值(例如輸出電壓)，如果通過改變上述土壤的含水量進行反復測定，則能夠得到來自土壤的含水量的體積含水率和輸出電壓的經過校正的關系曲線，通過在現場用ADR法進行進行測定，能夠得到正確的體積含水率。
這樣，用根據ADR法等的介電常數的方法能夠求得土壤體積含水率。在ADR法中傳感器的輸出電壓與體積含水率θ的關系如圖2所示。我們看到兩者之間存在著相關關系。
如上所述，如果用根據介電常數的方法，特別是ADR法，則能夠簡單并容易地求得土壤體積含水率，而且在ADR法中，因為是以某個直徑的圓筒狀部分的土壤的平均介電常數的測定為基礎的，所以傳感器探頭也可以不與土壤顆粒密切接觸，也可以對于浮石顆粒等那樣的粗顆粒的土壤測定體積含水率，這是ADR法的優點。此外，在上述和下述中，我們說明了根據由ADR計輸出的電壓求體積含水率的方法，但是在本發明的方法中，也可以根據由ADR計輸出的其它信號值求體積含水率，或者也可以根據TDR計和FDR計那樣的其它形式的傳感器的輸出信號值求體積含水率。
但是，因為用這種測定得到的土壤體積含水率，即含水量也包含土壤的結合水等的植物不能利用的水量，所以是與植物能夠利用的水量很好對應的pF值不同的。
在本發明中，通過將這樣由ADR法等得到的土壤體積含水率的測定結果換算成土壤pF值，求得土壤pF值。
土壤試料的基體潛力(pF值)和體積水分率與土壤的土性有關，存在著特有的相關關系，我們將它稱為水分保持曲線。作為測定土壤試料的水分保持曲線，即基體潛力和體積水分率的相關關系的方法，我們知道有沙柱法，吸引法，加壓板法，加壓膜法等。這些方法中，除了沙柱法外的其它方法都是通過在土壤試料上加上所定壓力，測定達到平衡狀態時的土壤重量，求得與它的基體潛力對應的體積含水率，通過在種種壓力下進行這種測定，得到關于該土壤試料的水分保持曲線。另外，沙柱法代替在土壤試料上加上壓力，通過將所定位置的潛力給予放置在沙柱上的在土壤試料，進行相同的測定。
在本發明中，這樣，著眼于在土壤體積含水率和pF值之間存在著的與土性有關的相關關系，對于測定對象的土壤預先求得水分保持曲線(相關線)，從用上述ADR法等的方法求得的土壤體積含水率的值，根據相關線求得該土壤的pF值。此外，既可以當制成表時根據換算表得到相關線，如果可能的話也可以將相關線作成近似公式。作為通過相關線從土壤體積含水率求得土壤pF值的方法，最好是，例如，通過將ADR計的輸出信號輸入到編入了預先求得的相關線的運算裝置，利用編入了輸出與土壤pF值對應的信號的程序的微計算機等的運算裝置的方法。
下面，我們說明根據本發明的對于土壤制作調查體積含水率和pF值的相關性的關系線，根據介電常數求得該土壤的體積含水率，根據作成的關系線從求得的體積含水率求得土壤pF值的方法。
首先，用該技術中眾所周知的方法求得成為用于制作體積含水率與pF值的關系線(水分保持曲線)的基礎數據的與土壤的種種體積含水率對應的pF值。因為pF值的測定必須具有正確性，所以采用在室內進行測定的方法。作為眾所周知的在室內進行的pF值測定法，能夠舉出沙柱法，加壓板法，吸引法，加壓膜法，蒸汽壓法。其中，沙柱法適用于pF值在0.5～1.4范圍內的測定，加壓板法適用于pF值在1.6～2.7范圍內的測定。另外，作為pF值的測定方法也提出了稱為“離心法”的方法，但是這個方法還沒有充分實用化。所以，作為與在pF＝1.7～2.7的易效水范圍內保持土壤含水量的本發明目的一致的方法，能夠說加壓板法是最合適的方法。但是在本發明中也能夠用沙柱法等的其它方法。
例如，在用加壓板法測定土壤pF值的情況下，如下地進行測定。
首先，我們用圖3簡單地說明加壓板法的技術內容。加壓板裝置10由加壓室12和加壓板13構成，加壓板13是將網屏15夾在多孔性板14的下側，在其上覆蓋橡膠膜16構成的。在加壓室12中設置壓力表18，讀取加壓室內的空氣壓力。
將土壤試料11放置在用水飽和的多孔性板14上，從加壓裝置連通管17加入空氣壓力，通過多孔性板14將由比與這個空氣壓力平衡的基體潛力大的潛力保持的土壤水排出去。土壤水從金屬制排水孔19通過耐壓管20，排水口21，從具有節流夾層22的排水管23流入排水貯存器24。為了使加壓室12減壓，設置排氣閥門25。通過階段地改變空氣壓力，能夠測定與各基體潛力對應對應的水分保持量。每次加大它的空氣壓力時與加壓板一起取出土壤樣品進行測量。通過算出這個測定的土壤試料的重量與干燥狀態的土壤試料的重量之差，求得含水量。因為這里求得的含水量與這時的空氣壓力相對應，即與這時候的水分潛力相對應，所以可以求得與某個pF值對應的含水量。另外，基于土壤的嵩比重，也可以求得體積含水率。
通過階段地改變空氣壓力重復進行這種操作，能夠制成種種pF值和與其對應的體積含水率的對比表。當將表中的值在橫軸為pF值，縱軸為體積含水率的圖中畫成曲線時，得到水分保持曲線。
另外，我們參照圖4說明同樣作為測定土壤pF值的方法的沙柱法的原理。
圖4是表示沙柱法裝置51的概要圖。通常，可以用通過250μm以下的篩子的細沙和將粒徑調整到300～180μm的石英沙。將事先經過水洗的沙52充填成圓柱狀，打開閥門60從給水口59流入自來水58，使沙被水飽和。此外，在圓柱底部配置支持臺61和黃銅篩網62，以便保持沙柱。而且，敲打周圍給予振動，使顆粒的配列穩定。為了防止從沙柱上面的蒸發，加蓋聚乙烯片或蓋子53。在采土圓筒54上也加上蓋子能夠得到更好的效果。土壤試料(采土圓筒)54放置在沙柱52的上方，將可動式排水口55的高度固定在沙柱上端，將水灌入土壤試料使土壤試料被水飽和。其次，向下移動可動式排水口55到所定位置，通過開放閥門56排出剩余的水57，使沙柱中自由水面的水位下降，因此實施從土壤試料的脫水。從水位計63讀取水位L。如果脫水結束則測定這時的土壤試料的質量，求得體積含水率。這時的土壤試料的基體潛力(cm)，當令土壤試料的厚度為1時由-(L+1/2)表示。因而求得在所定pF值的土壤試料的體積含水率。
通過階段地改變水位L重復進行這種操作，能夠制成種種pF值和與其對應的體積含水率的對比表。當將表中的值在橫軸為pF值，縱軸為體積含水率的圖中畫成曲線時，得到水分保持曲線。
另一方面，對于相同的土壤，關于知道體積含水率的樣品，例如用ADR計測定它的輸出信號值，例如輸出電壓，制成輸出電壓與土壤體積含水率的經過校正的換算表。當將該結果在橫軸為輸出電壓，縱軸為體積含水率的圖中畫成曲線時，得到圖2所示的關系線。
這樣預先制成關系線，當在一般圃場的現場例如用ADR計測定土壤的含水量時，作為第1工序，從ADR計的輸出電壓，根據預先制成的輸出電壓與土壤體積含水率的關系線求得土壤體積含水率，其次作為的第2工序，從求得的土壤體積含水率，能夠根據預先制成的水分保持曲線(體積含水率與pF值的關系線)求得土壤pF值。
如果將上述2條關系線輸入運算裝置，則能夠用電子電路從ADR計的輸出電壓信號算出這個土壤pF值，并將該數值在顯示器上顯示出來，使得測定作業變成非常簡便。
或者進一步，也能將由這個運算得到的土壤pF值的信號送入澆水裝置的控制電路，使澆水裝置的給水裝置工作。
如果根據本發明的方法，與以前使用的典西歐米塔法比較，能夠直接并連續地從遠處簡便地測定土壤pF值，能夠利用這個測定結果進行澆水控制。另外，用典西歐米塔法不能對具有浮石等那樣的多孔質表面的粗顆粒構成的栽培土進行pF值的測定，但是如果根據本發明的方法，則能夠通過用ADR法等那樣的也可以適合于多孔質栽培土的方法進行體積含水率的測定，求得pF值。
此外，在本發明中用作為測定pF值與體積含水率的相關關系(水分保持曲線)的方法使用的加壓板法和沙柱法等，不能夠測定特殊的土壤和栽培土，特別是不能測定由具有多孔質表面的顆粒構成的土壤(栽培土)。這是因為，例如當使用粒徑1～5.6mm的浮石作為栽培土時，在加壓板法中即便在顆粒間加上壓力因為含有水不連續所以也不能夠測定正確的pF值。即，因為在浮石顆粒栽培土等中不存在連續的含有水，所以由于與毛細管現象的毛細管水沒有關系，不能夠測定正確的pF值。另外，在沙柱法中，在浮石栽培土的情況下，因為沒有水的液體路徑，所以不能夠測定正確的pF值。因此，根據本發明的方法，當對由具有多孔質表面的顆粒構成的土壤進行pF值的測定時，需要花費更多的工夫。下面，我們詳細地說明這一點。
本發明者們在研討能否用加壓板法和沙柱法測定浮石栽培土的pF值時，了解到對于只有粗栽培土顆粒的試料不能正確測定pF值，但是對于在粗栽培土顆粒中混入細的栽培土顆粒的試料能夠測定它的pF值。而且，準備好粗栽培土顆粒的土壤試料和將該栽培土試料粉碎后制成的栽培土微顆粒試料，進一步，將粗栽培土顆粒的土壤試料和栽培土微顆粒試料混合起來攪拌均勻制成混合試料，對這種栽培土微顆粒試料和混合土壤試料進行pF值的測定，發現通過對得到的結果進行下面說明的“減法處理”，能夠求得粗栽培土顆粒的土壤試料的pF值。下面我們詳細說明這種方法。
首先，準備好粗的栽培土，例如由粒徑1～5.6mm的浮石粗顆粒構成的栽培土。其次，粉碎這個粗顆粒栽培土形成微顆粒調制成栽培土微顆粒。另外，將上述浮石粗顆粒與栽培土微顆粒混合起來攪拌均勻調制成混合土壤試料。這時，可以將浮石粗顆粒和栽培土微顆粒等重量地混合起來，但是也不一定需要等重量。可是要確認這時的混合重量比。
對于這樣得到的栽培土微顆粒試料和混合土壤試料，用加壓板法等方法求得pF值與體積含水率的關系，即水分保持曲線。下面我們說明這種方法。在下面的說明中，為了方便起見，將浮石粗顆粒栽培土試料稱為試料B，將從浮石粗顆粒調制成的栽培土微顆粒試料稱為試料A，將試料A與試料B混合起來得到的混合土壤試料稱為試料C，以用加壓板法測定pF值作為例子舉例說明。
能夠用加壓板法測定由栽培土微粉末構成的試料A的pF值，但是不能夠用加壓板法測定浮石粗顆粒栽培土試料B的pF值。但是能夠測定混合土壤試料C的pF值。我們認為這是因為通過使細的微顆粒進入粗顆粒的間隙，不會引起貫通(プロ-スル-)。所以，希望用于調制混合土壤試料的栽培土微顆粒試料的粒徑具有微顆粒能進入粗顆粒間隙那樣的大小。進一步，又需要微顆粒具有不能進入多孔質粗顆粒的孔那樣的大小。這是因為當微顆粒進入多孔質粗顆粒的孔時，它的行為舉動發生變化，不能夠測量正確的pF值。一般，微顆粒試料的粒徑最好在50～200μm范圍內，但是并不限定于這個數值。
如上所述，對于粗顆粒試料B不能進行pF值的測定，但是對于微顆粒試料A和混合土壤試料C能夠進行pF值的測定。因此，用下面說明的“減法處理”從對混合土壤試料C的測定結果和對微顆粒試料A的測定結果求得對試料B的測定結果。
對于混合土壤試料C和微顆粒試料A，用加壓板法測定pF值與體積含水率的關系，即水分保持曲線。也通過改變各試料的含水狀態多次進行這些測定。
令在某個pF值的和混合土壤試料C的體積含水率為xc(v/v％)，所定容量的混合土壤試料的含水量為c(g)時，這個混合土壤試料中的微顆粒保持的水量[ca(g)]為將相同容量的栽培土微顆粒試料A在它的pF值具有的含水量[a(g)]乘以混合土壤試料中的栽培土微顆粒的重量比得到的值。即，令上述所定容量的混合土壤試料中的栽培土微顆粒的重量為zca(g)，相同容量的栽培土微顆粒試料的重量為za(g)時，ca＝a×(zca/za)。其次，如果從混合土壤試料C的含水量[c(g)]減去混合土壤試料中的栽培土微顆粒保持的水量[ca(g)]，則可以求得混合土壤試料C中粗顆粒保持的含水量[cb(g)]。即，cb＝c-ca。而且，用混合試料中的粗栽培土的比例對這個含水量進行分割時，能夠算出粗顆粒栽培土試料B的含水量。即，令相同容量的粗顆粒栽培土B的重量為zb(g)，粗顆粒栽培土B的含水量為b(g)時，b＝c×(zb/zcb)。能夠從由此得到的粗顆粒栽培土試料B的含水量b(g)，求得粗顆粒栽培土試料B的體積含水率(v/v％)。
在上述測定中測定所有試料的重量。此外，由于混合試料中的粗栽培土顆粒的周圍被栽培土微顆粒包圍，在粗栽培土顆粒的表面的水分潛力減少。但是，因為粗栽培土顆粒是多孔質的，所以被栽培土微顆粒包圍的表面積與粗栽培土顆粒全體具有的表面積比較是很少的(1/100以下)，所以達到可以將其忽略的程度。
我們能夠認為這樣求得的粗顆粒栽培土試料的體積含水率是與它的pF值對應的。而且，如果在種種壓力下重復進行這種測定/計算，則能夠制成粗顆粒栽培土的體積含水率與pF值的相關關系(水分保持曲線)。
另外，同樣地，即便在沙柱法中，因為對于粗顆粒試料遮斷水的液體路徑，所以不能夠測定正確的pF值，但是我們知道對于通過粉碎粗顆粒得到的微顆粒試料和將這個微顆粒試料與粗顆粒試料混合得到的混合土壤試料，能夠進行正確的pF值的測定。我們認為這是因為由于在粗顆粒間隙中進入了微顆粒形成水的液體路徑。所以即便用沙柱法，通過采取上述那樣的程序，即便對于浮石等那樣的粗顆粒土壤，也能夠求得pF值與體積含水率的關系，即水分保持曲線。
通過用這樣求得的水分保持曲線和用上述方法求得的ADR計的輸出電壓值與體積含水率的經過校正的相關關系，用ADR計進行土壤測定，能夠經過土壤的體積含水率求得pF值。
即，根據本發明測定土壤pF值的方法與土壤的品質有關具有下列那樣的構成。
首先，對于通常的土壤，通過下列程序測定土壤pF值(1)對于測定對象的土壤，用加壓板法和沙柱法等方法，求得作為pF值與體積含水率的關系的水分保持曲線；(2)對于土壤，用ADR法等那樣的電脈沖式土壤介電常數測定法，測量土壤中的輸出信號值(當用ADR法時為輸出電壓)，從輸出電壓與體積含水率的關系，求得土壤體積含水率。此外，預先求得關于測定對象的土壤的輸出信號值與體積含水率的關系(校正值)；和(3)從在上述工序(2)求得的體積含水率，根據在上述工序(1)制成的水分保持曲線，求得土壤pF值。
另外，對于浮石等的多孔質粗大顆粒的土壤，通過下列程序測定土壤pF值(1)粉碎測定對象的粗顆粒土壤試料形成微顆粒試料，另外，將粗顆粒土壤試料與微顆粒試料混合起來形成混合土壤試料，準備好同容量的粗顆粒土壤試料，微顆粒試料和混合土壤試料，測量它們的重量。其次，對于微顆粒試料和混合土壤試料，用加壓板法和沙柱法等方法，求得作為pF值與體積含水率的關系的水分保持曲線。其次，從得到的結果，用上述“減法處理”求得關于粗顆粒土壤的水分保持曲線；(2)對于土壤，用ADR法等那樣的電脈沖式土壤介電常數測定法，測量土壤中的輸出信號值(當用ADR法時為輸出電壓)，從輸出電壓與體積含水率的關系，求得土壤體積含水率。此外，預先求得關于測定對象的土壤的輸出信號值與體積含水率的關系(校正值)；和(3)從在上述工序(2)求得的體積含水率，根據在上述工序(1)制成的水分保持曲線，求得土壤pF值。
按照本發明，通過用如上面說明的測定土壤水分量的方法求得pF值，用得到的pF值對澆水進行控制，能夠在最佳條件下進行作物的栽培。即，如上所述每隔一定時間測定土壤pF值，比較測定的pF值和作為目標的pF值，能夠不離開作為作物栽培的最佳條件的pF1.7～2.7范圍那樣地對澆水或培養液的供給量進行控制。這能夠用例如設定目標pF為2.0，如果測得比它高的pF值則進行澆水或供給培養液，如果測得比它低的pF值則停止澆水或供給培養液的方法進行。
另外，本發明提供為了進行這種澆水控制的裝置。即，本發明的其它樣態是營養液栽培裝置，提供以備有加入點滴式培養液的流動裝置；具有培養液流路閥的點滴裝置的送出水量控制裝置；測定栽培土的體積含水率的體積含水率測定器；取入對于栽培土預先求得的pF值與體積含水率的相關關系，進行從由體積含水率測定器測定的栽培土的體積含水率換算成pF值的運算處理，根據體積含水率測定器的輸出結果輸出栽培土的pF值信號的運算裝置；和根據從該運算裝置輸出的pF值信號對向點滴裝置的送出水量進行控制的點滴裝置控制裝置為特征的營養液栽培裝置。進一步，本發明的其它優先樣態是營養液栽培裝置，提供以備有加入點滴式培養液的流動裝置；具有培養液流路閥的點滴裝置的送出水量控制裝置；具有插入栽培土的探頭的ADR計；取入對于栽培土預先求得的pF值與體積含水率的相關關系和ADR計的輸出電壓與體積含水率的相關關系，進行從ADR計的輸出電壓換算成栽培土的體積含水率和從栽培土的體積含水率換算成pF值的運算處理，根據ADR計的輸出電壓輸出栽培土的pF值信號的運算裝置；和根據從該運算裝置輸出的pF值信號對向點滴裝置的送出水量進行控制的點滴裝置控制裝置為特征的營養液栽培裝置。
即，作為用于實施進行上述那樣的澆水控制的方法的裝置，是備有加入點滴式培養液的流動裝置，具有插入栽培土的探頭的ADR計，和根據該ADR計的輸出電壓對向點滴裝置的送出水量進行控制的控制裝置那樣地構成的，通過構成固形栽培土耕作式營養液栽培裝置，能夠構成根據定時器每隔一定時間追隨ADR計的輸出電壓的固形栽培土耕作式營養液栽培裝置。此外，通過追隨ADR計的輸出電壓，對向點滴裝置的送出水量進行控制，最好將對于作為對象的栽培土預先求得的pF值與體積含水率的相關關系和ADR計的輸出電壓與體積含水率的相關關系預先取入運算裝置中，用運算裝置進行從由ADR計的輸出電壓到栽培土的體積含水率的換算和從栽培土的體積含水率到pF值的換算的運算處理，根據ADR計的輸出電壓輸出栽培土的pF值信號那樣地進行構成，通過設置根據這個輸出的pF值信號對向點滴裝置的送出水量進行控制的點滴裝置控制裝置能夠進行控制。關于根據pF值的測定值調整培養液流路閥的開閉度的周期，與以何等程度的嚴密性進行控制有關，也隨著栽培作物的種類等的不同而不同，但是一般地，每隔10分鐘～2小時，最好每隔10分鐘～30分鐘，根據pF值測定值對澆水或培養液的供給進行控制。
此外，在上述測定中，作為求體積含水率的方法使用ADR法，但是如上所述也可以用作為能夠根據介電常數測定體積含水率的測量儀器的TDR計，FDR計等的其它測量儀器。另外，測定土壤體積含水率的方法，雖然不是根據介電常數的測量方法，但是如果是能夠在圃場直接測定土壤體積含水率的方法，則能夠用于本發明中。
能夠用本發明的方法測定pF值的土壤如果是上述的所屬的土壤就很好，又作為多孔質的栽培土可以舉出浮石，木碳等，作為浮石即便對于火山灰與沙子的沉積物浮石栽培土也能夠高精度地進行測定。
此外，關于這里的“火山灰與沙子的沉積物浮石”，例如在上述的“土的環境圈”，30～32頁中進行了定義和說明。如果根據該定義和說明，則所謂“火山灰與沙子的沉積物”就是“更新代后期的大規模的從卡魯泰拉(カルデラ)火山噴出的火碎浮石流堆積物的非溶結部分或它的二次堆積物”的總稱，在我國，九州南部的人對此有很好的了解。另外，除此之外，在屈斜路湖，十勝岳，支笏湖，洞爺湖，十和田湖，阿蘇山等的火山周圍分布著同樣的，但是在國土廳的土地分類基本調查等的表層地質圖中作為浮石流堆積物作出了圖示。
作為能夠用與本發明有關的栽培方法進行營養液栽培的作物的例子，能夠舉出果菜類，例如，西紅柿，小型西紅柿，黃瓜，茄子，柿子椒，紅辣椒，波菜，秋葵，四季豆，碗豆，苦瓜，絲瓜，西瓜，甜瓜等；葉菜類，例如，色拉菜，菠菜，油菜，穰荷，葉萵苣，鴨兒芹，小型芹菜，蒿子菜，紅蘿葡等；果實類，例如，波羅，木瓜，草等，花卉類，例如，香石竹，菊花，薔薇，仙人掌，蘭花，蝴蝶花等。
具體實施例方式
下面我們用實施例具體說明本發明。但是本發明不僅僅限定于這些實施例。
實施例1(用ADR法測定體積含水率)用粒徑在1～5.6mm范圍內的鹿兒島縣出產的火山灰與沙子的沉積物浮石栽培土，通過改變它的含水狀態用ADR法進行測定，測量它的輸出電壓，調查輸出電壓與浮石栽培土的體積含水率的關系。將這個關系在橫軸為ADR計的輸出電壓，縱軸為體積含水率的圖中畫出曲線時，得到如圖2所示的曲線圖。
實施例2(從體積含水率算出pF值)1.試料的調制分別準備好粒徑在1～5.6mm范圍內的鹿兒島縣出產的火山灰與沙子的沉積物浮石試料，和通過粉碎上述浮石得到的粒徑大致在50～200μm范圍內的浮石微顆粒試料。分別稱出100ml的浮石試料和浮石微顆粒試料。對此，浮石試料的重量為53g，浮石微顆粒試料的重量為79.4g。其次，將浮石試料和浮石微顆粒試料大致等重量地混合起來，調制成混合土壤試料。100ml的混合土壤試料的重量為72.5g，細分起來，浮石試料為35.2g，浮石微顆粒試料為37.3g。
2.測定混合土壤試料等的pF值和體積含水率對于混合土壤試料，用加壓板法測定與種種pF值對應的體積含水率。另外，即便對于浮石微顆粒試料，也同樣用加壓板法測定與種種pF值對應的體積含水率。也通過改變各試料的含水狀態多次進行這些測定。此外，用加壓板法測定pF值是因為能夠用加壓板法測定的pF值的范圍很好地進入實際上適宜的栽培條件的pF值的范圍。
3.算出混合土壤試料中的浮石成分的含水量根據測定結果，如表1所示，混合試料M的體積含水率為44.8(v/v％)時，pF值為1.6。另外，在這個pF值，浮石微顆粒試料P的體積含水率為53.3(v/v％)。
通過從這個混合試料M的含水量(g)減去混合試料中的浮石微顆粒部分的含水量，求得混合試料中的浮石部分的含水量，從而算出浮石試料的體積含水率。
我們看到從它的體積含水率[A2]得到100ml的混合試料M的含水量[A3]為4.8g。其中，100ml的混合試料中浮石微顆粒成分(37.3g)保持的含水量[A4]計算得到為[53.3×(37.3/79.4)]＝25.1g。
這樣一來，混合試料M中浮石成分保持的含水量[A5]為([A3]-[A4])＝(44.8-25.1)＝19.7g。
因為這是35.2g的浮石試料保持的含水量，所以當將它換算成全部用浮石充滿100ml容積的情形時(浮石重量為53g)，得到[19.7×(53/35.2)]＝29.7g。
因為含水量是容積100ml的浮石試料包含的含水量，所以這個浮石試料的體積含水率成為29.7(v/v％)。因此，可以認為這個浮石試料在pF1.6時具有29.7(v/v％)的體積含水率。
對于數個pF值進行同樣的作業，求得pF值與體積含水率的相關關系。得到的結果如表1所示。在表1中，關于上述試料，表示出pF1.6；1.8；2；2.2；2.5和2.7的結果，但是關于浮石微顆粒試料和混合土壤試料，在pF0.4～2.8的范圍內分別測定得到的結果在圖4(a)和(b)中用曲線表示出來。從這個結果算出的浮石試料的水分保持曲線的曲線圖如圖4(c)所示。
當我們觀察圖4(c)的曲線所示的浮石試料的pF值與體積含水率的關系時，在本實施例的情況下，在pF值1.6～2.0之間因為曲線是平的所以不能充分使用，但是我們認為在pF值2.0～2.7之間pF值與體積含水率之間存在一定的相關關系，能夠根據該關系對栽培土的澆水進行控制。
用在實施例2中得到的水分保持曲線，對在實施例1中得到的用ADR法求得的體積含水率的值進行換算，能夠容易地算出這個栽培土的pF值。
表1
實施例3(用ADR法對澆水進行控制)用粒徑在1～5.6mm范圍內的鹿兒島縣出產的火山灰與沙子的沉積物浮石栽培土，進行色拉菜的栽培。作為培養液用園藝試驗所標準處方的培養液(簡稱為“圓試處方”，成分濃度N16meq/l(以下同)，P4，K8，Ca8，Mg4)。首先，將1粒色拉菜的種子播種在帶有洞穴的托盤中，進行育苗。育苗21日后以栽培密度42株/m2定植于用于葉菜的栽培苗床中。栽培面積為4m2。澆水與育苗，定植栽培一起都是通過圖6所示的自動控制進行的。即，用ADR傳感器測定栽培土的介電常數，用輸入了在上述實施例1和2中得到的相關關系的運算·控制裝置根據從介電常數測定值換算而來的pF值，進行澆水控制。具體地說，實施將設定的pF值定在2.0，如果測定的pF值在這個值之上，則用運算·控制裝置操作電源盤使泵和電磁閥工作進行澆水，如果測定的pF值達到2.0，則停止澆水那樣的自動澆水控制，定植35日后進行收獲，收獲量為3203g/m2。另外，從定植到收獲的培養液的使用量為84.6l/m2。
比較例1(用定時器進行澆水控制)在與實施例3相同的方法中，與實施例3的試驗并行地進行色拉菜的栽培。但是，澆水是按照定時器上午9時和下午3時進行2次，這2次澆水都一直繼續到從栽培床排出剩余的培養液為止。收獲量為2694g/m2。從定植到收獲的培養液的使用量為148.6l/m2。另外，我們看到接近收獲時在栽培床的表面發生苔蘚樣的東西。這表示供給了比實際生育所必需的量更多的培養液。
比較實施例3和比較例1，如果用與本發明有關的澆水控制方法的栽培方法，則與已有的用定時器的澆水控制方法比較，能夠用更少的培養液量得到更高的收獲量。即，如果用本發明的方法，則因為可以供給并正確地控制實際必需的培養液量，所以能夠防止成為排除液的多余的供給。
如果根據本發明，則能夠不用已有的典西歐米塔簡單地測定土壤栽培土的pF值。因為這種測定能夠用簡單的ADR法等進行，所以裝置簡單，操作簡便，得到的數據具有再現性，在一般圃場中都能夠簡單地進行測定。另外，關于顆粒粗的浮石等的固形栽培土耕作的栽培土等，用已有的加壓板法等不能夠正確地測定pF值與體積含水率的相關關系(水分保持曲線)，但是在本發明的優先樣態中，即將對于粗顆粒土壤試料也可以用加壓板法等求得正確的水分保持曲線，即便對于這種土壤也能夠簡單地測定它的pF值。因此，不管土質如何能夠容易地管理廣泛的土壤，進行防止土壤干燥的作業和進行澆水作業。
進一步，在固形栽培土耕作中，因為能夠根據pF值對培養液的供給等進行控制，實施與栽培作物的成長相符合的培養液供給，所以也能增加栽培作物的收獲量。另外，因為能夠自動地測定pF值，所以容易進行控制，不需要人手，能夠節省勞動力。
因此，如果根據本發明，則因為能夠節省能量，節省資源，節省勞動力，所以對于環境資源是非常有效的。另外，能夠將栽培需要的水量減少到最小限度，也能夠最大限度地利用肥料，所以極大地減少了由于不能被吸收而排出的肥料量，能夠消除由于排水引起的水域富營養化，藻類大量繁殖等問題。特別是，在用現在正在廣泛使用的栽培土的點滴流方式的栽培方法中，使用過的栽培土作為產業廢棄物引起極其重大的問題，進一步由于培養液的剩余供給引起的排液問題也令人注目，但是通過用浮石栽培土并且用與本發明有關的澆水控制方法，能夠一舉解決這兩方面的問題，從資源保護和環境保護兩方面來說也都能夠收到很大的效果。
權利要求
1.一種營養液栽培裝置，其特征是具有加入點滴式培養液的流動裝置；具有培養液流路閥的點滴裝置的送出水量控制裝置；測定栽培土的體積含水率的體積含水率測定器；取入對于栽培土預先求得的pF值與體積含水率的相關關系，進行從由體積含水率測定器測定的栽培土的體積含水率換算成pF值的運算處理，根據體積含水率的輸出結果輸出栽培土的pF值信號的運算裝置；和根據從該運算裝置輸出的pF值信號對向點滴裝置的送出水量進行控制的點滴裝置控制裝置。
2.一種營養液栽培裝置，其特征是具有加入點滴式培養液的流動裝置；具有培養液流路閥的點滴裝置的送出水量控制裝置；從具有插入栽培土的探頭的ADR計，TDR計和FDR計選出的傳感器；取入對于栽培土預先求得的pF值與體積含水率的相關關系和傳感器的輸出信號值與體積含水率的相關關系，進行從傳感器的輸出信號值到栽培土的體積含水率的換算和從栽培土的體積含水率到pF值的換算的運算處理，根據傳感器的輸出信號值輸出栽培土的pF值信號的運算裝置；和根據從該運算裝置輸出的pF值信號對向點滴裝置的送出水量進行控制的點滴裝置控制裝置。
全文摘要
本發明的目的是提供測定在土壤中進行栽培時可以根據pF值進行澆水控制的土壤水分量的方法和裝置，在此基礎上可以根據pF值進行澆水控制的澆水控制方法和裝置。為了達到這種目的，本發明是測定土壤pF值(土壤水分張力)的方法，它涉及以(a)對于測定對象的土壤預先求得pF值與體積含水率的相關關系；(b)測定土壤體積含水率；和(c)根據在上述工序(a)中得到的pF值與體積含水率的相關關系，將在上述工序(b)中測定的土壤體積含水率的值換算成土壤pF值為特征的土壤pF值的測定方法，和根據這種pF值的測定對土壤的澆水進行控制的方法和裝置。
文檔編號A01G25/16GK1690699SQ200510065110
公開日2005年11月2日 申請日期2000年12月21日 優先權日1999年12月22日
發明者黑田哲生, 大塚秀光, 神谷一郎, 楢崎祐三 申請人:株式會社荏原制作所