专利名称：土壤pF值的测定方法,浇水控制方法和浇水控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及土壤水分量的测定，和利用土壤水分量测定的栽培方法和栽培装置，特别是涉及为了使土壤管理容易，可以节水，节省资源和节省劳动力，测定土壤水分量，将土壤水分量换算成pF值决定土壤pF值的方法，和根据测定的pF值控制向土壤供给水或培养液的浇水控制方法及其装置。此外，这里所谓的土壤一般是指支持植物体的根，地下茎等的地中部位的物体，也包含除了所谓的“土”以外的沙，砾，碳，浮石那样的固形栽培土等在内。
背景技术：
在土壤中进行农作物栽培时，因为土壤含水量对农作物成长具有很大的影响，所以在含水量高的土地上要经常排水，反之在含水量低的土地上需要浇水，又，在季节性少雨的时期浇水量增多等，都是很费工夫的。因此，为了使农作物良好成长，必须正确知道土壤中的含水量。
又，当栽培色拉菜和西红柿等高级蔬菜时，不是在旱田等中进行，而是需要例如在开阔地设施和屋内设施等中精密地进行环境管理，同时如同工厂生产般地进行栽培。我们将这样的栽培方法称为设施栽培法。在旱田等中的栽培中，使用一方面用肥料等对土壤施加营养，另一方面对作物洒水那样的栽培方法，但是在设施栽培法中，最好使用铺满沙，砾，碳等作为栽培土，通过浇水给予营养水液的营养液栽培法。可是，在现实的栽培，特别是营养液栽培中，现状是不一定能够做到最佳的浇水。
对营养液栽培进行大致分类时，可以分成水耕作，喷雾耕作和固形栽培土耕作3种，其中在固形栽培土耕作的栽培方式中，多用点滴挂流。在这种点滴挂流方式中，一般通过定时器等进行自动浇水是主流，但是不一定能够做到最佳的浇水。这是因为与栽培作物有关的栽培营养液的吸收量受到日照量，温室的温度和湿度等的左右。例如，日照量多时，温室的温度升高，如果湿度低，则来自栽培作物的蒸发量变得非常大。又，相反地在下雨的日子等中，来自栽培作物的蒸发量减少。又，营养液的吸收量与栽培作物的成长过程有很大的关系，栽培作物成长时营养液的吸收量变得非常大。又，果实类等成长到某种程度后要抑制水的供给量进行栽培，才能够得到糖度高的高品质的果实，这是众所周知的。可是，在用定时器等进行自动浇水的情形中，就不能够追随这种栽培作物的环境条件和成长过程，为了能够忠实地追随，必须每天重新设定浇水次数，浇水开始时刻和浇水时间等。
因此，即便说是用定时器等进行自动浇水也没有用处，如何能实现最佳浇水是令人怀疑的。因为这种理由，用定时器等进行自动浇水时，为了不引起作物的枯萎等常常进行过多的浇水，无法避免由于过剩浇水引起根部腐烂，排水量增大(即废弃的营养液和水的量增大)等问题。
可是，当我们观察土壤中的含水量与农作物栽培之间的关系时，土壤中的水不能被农作物全部利用，例如土壤中的结合水就不能用于农作物的生育。又当考虑由于气候变化土壤含水量的变化时，当下大雨时土壤中全是水，但是此后，水徐徐地向下吸入，土壤的含水量降低。土壤中全是水的状态是与水耕作栽培相同的状态，通气性恶劣，不一定适合于露天栽培。其次，在土壤的含水量降低的阶段，当水分相当地下降，降低到某个界限以下时，根部就不能够将水吸上来，使根部的毛细管联络被切断，进入根部枯萎的状态。因为当进入这种状态时，即便此后供给水也不能使根部枯萎恢复，所以必须使土壤的含水量保持在将这个状态作为下限的限度以上。
因为这样的土壤的含水状态是由土壤中的含水潜力决定的，所以我们认为单纯地用土壤的含水量来表示与农作物栽培有关的土壤的含水状态是不适当的。因此，根据土壤的含水潜力表示含水状态的方法是最好的。
可是，表示土壤的含水状态的因子之一是“pF值”。所谓的pF值是由R.K.Schofield在1935年提出的，是关于土壤的含水潜力内的基体潜力的指标值。所谓的基体潜力是根据毛细管力，分子间力，库仑力等的水与土壤颗粒的相互作用的化学潜力的下限量。需要时，可以用所谓的基体潜力表示土壤颗粒吸引水分子的力的强弱。我们将用水柱单位(cm)表示的基体潜力的绝对值的常用对数称为“pF值”。用水柱单位(cm)表示的土壤含水的潜力φ和“pF值”之间存在着pF＝log(-10.2φ)的关系。
pF值是表示土壤中所含的水(在营养液栽培中为培养液)的品质的量。当pF值在0附近时，表示土壤充满水的状态。降雨和灌溉的24小时后残留在土壤中的水分(圃场容水量)为pF1.7左右，从此到作物开始枯萎的初期枯萎点(pF3.8)的水称为有效水。可是，作物的生育在水分比初期枯萎点多时就开始出现障碍。这是作物根部的毛细管联络被切断，水从作物根部的移动停止的状态时刻，将这称为毛细管联络切断点，pF值约为2.7。所以，一般地当栽培作物时，pF值在pF1.7～pF2.7之间最适合。从而将pF1.7～pF2.7之间的水分称为易效水，在土壤中栽培农作物时，需要保持这个pF1.7～pF2.7的易效水状态。此外，关于pF值和土壤的含水潜力，例如在“土壤环境分析法”，日本土壤肥料学会监修，土壤环境分析法编集委员会编，博友社刊印，1997年第1次印刷发行，48～51页；“土壤环境圈”，岩田进午等监修，フジテクノシステム股份有限公司发行，1997年，72～76页；“土壤诊断的方法和活用”，藤原俊六郎等著，社团法人农山渔村文化协会发行，1996年，72～77页；“最新土壤学”，久马一刚编，朝仓书店发行，1997年，101～107页等中作了说明。
在土壤中进行农作物栽培时，希望以这个pF值作为基准进行浇水等的作业。
关于pF值的测定法，我们知道作为能够在野外对土壤直接进行的测定法的典西欧米塔(テンシオナ-タ)法。
作为能够有效地用于实际栽培中的浇水控制的测定法，必须照旧测量圃场中的土壤的容水量。所以，在一般的圃场中，典西欧米塔法作为简单地测量土壤pF值的方法，可用于进行最佳浇水等的管理。所谓的典西欧米塔法就是将由多孔性杯(探头)和硬质透明氯化乙烯管构成的典西欧米塔埋设在土壤中，用水充满典西欧米塔，通过多孔性杯(探头)的壁按照水的作用机理将土壤水分与管内的水连接起来，在土壤的基体潜力与管内压力处于平衡的状态中读取管内压力作为土壤的基体潜力的方法。关于“典西欧米塔法”的详细情形，例如记载在上述“土壤环境分析法”，59～62页等中。
但是，至今一直在使用的典西欧米塔法，因为需要向场地中的装置内补给水分，所以对传感器(典西欧米塔)的管理非常费劲，我们希望能够用更加简单的方法，或更加简单的装置测定土壤pF值的方法。又，也存在着即便是土壤由于它的品质不同不适合用典西欧米塔法的情形。
即，由粗的颗粒构成的土壤，例如在具有在营养液栽培等中使用的浮石颗粒等那样的多孔质表面的粗大颗粒的固形栽培土中，就不能使用这种典西欧米塔法。
这是因为由于栽培土粗，栽培土颗粒不能与典西欧米塔的探头表面全体紧密接触，从而栽培土颗粒的水不能与探头表面紧密接触，所以不能得到正确的测定。因此，至今即便在粗大颗粒的固形栽培土耕作中也希望根据pH值进行浇水控制，而同时又没有完全进行将pH值作为指标的浇水控制，这就是实际情况。
作为能够直接测定土壤中的pH值的方法，现在还没有找到能够取代典西欧米塔法的方法。
可是，作为调查土壤保水性的方法，在最近令人注目的方法中，测定土壤介电常数，从而求得土壤体积含水率的方法尤其令人注目，正在使从电脉冲的传播时间求得土壤介电常数的TDR(Time DomainReflectometry(时域反射测量法))，和从电脉冲的频域中的特性求得土壤介电常数的FDR(Frequency Domain Reflectometry(频域反射测量法)实用化。又，作为更简便廉价地测定土壤体积含水率的方法提出了通过测定阻抗的ADR(Amplitude Domain Reflectometry(振幅域反射测量法))。关于这些方法记载在上述的“土壤环境分析法”，62～64页；Topp，G.G.et.al.(1980)Electromagnetic determinationof soil water contentMeasurements in coaxial transmission lines，Water Resources Research，16，574-582；堀野治彦·丸山利辅(1993)用3线式探头测量土壤水分的TDR法，农业土木学会论文集，168，119～120页；巽北平等(1996)用FDR法测定现场的土壤水分，农业土木学会论文集，182，31～38页；中岛诚等(1997)用ADR法测定土壤水分量，日本地下水学会1997年春季讲演要旨集，18～23页等中。特别是，当用ADR法时，测定非常简便，相关性也很高，测定装置构造简单，容易维护也容易操作，能够进行连续的测定，是所谓的不需要维护的装置。但是，因为这些方法求土壤体积含水率，所以不能够直接求得土壤pH值。
本发明的目的是提供不用典西欧米塔法，利用调查土壤保水性的方法能够测定土壤pH值的装置。
又，本发明的目的是提供利用调查土壤保水性的方法即时并且连续地测定土壤pH值，用这个测定值控制浇水的方法和装置。
进一步，本发明即便在用典西欧米塔法等不能够直接测定土壤pH值的情形中，也能提供能够测定其土壤pH值，特别是能够连续地进行测定的方法，用这个测定值控制浇水的方法和装置。
本发明的目的是进一步提供在固形栽培土耕作中的营养液栽培中，在不能使用典西欧米塔那样的土壤，特别是浮石那样的多孔质大径颗粒的情形中，一面利用测定简单又容易的保水性测定方法，一面可以根据pH值进行浇水控制的测定土壤水分量的方法和装置。进一步，本发明的目的是提供在固形栽培土耕作中的栽培中，可以根据pH值进行浇水控制的浇水控制方法和装置。
发明内容
本发明者，为了达到上述目的反复进行锐意研究，结果，着眼于在用上述ADR法等能够比较简单地测定的土壤体积含水率与pH值之间与土壤种类，即土性有关的相关关系，发现能够在预先求得关于测定对象的土壤的体积含水率与pH值的之间的相关关系的基础上，通过测定土壤体积含水率，从土壤体积含水率求得pH值，根据这个pH值对浇水进行控制，从而完成本发明。
即，本发明是测定土壤pH值(土壤水分张力)的方法，提供以下列步骤为特征的土壤pH值的测定方法(a)对于测定测定对象的土壤预先求得pH值与体积含水率的相关关系；(b)测定土壤体积含水率；和(c)根据在上述工序(a)中得到的pH值与体积含水率的相关关系，将由上述工序(b)测定的土壤体积含水率的值换算成土壤pH值。
图1是用ADR法的测定计的概要说明图。(a)是正面图，(b)是平面图。
图2是表示在实施例1中进行的用ADR法测定火山灰与沙子的沉积物浮石土壤时传感器的输出电压与体积含水率θ之间的关系的曲线图。
图3是用于测定pH值与体积含水率的相关关系(水分保持曲线)的加压板法的概要说明图。
图4是用于测定水分保持曲线的沙柱法的概要说明图。
图5是表示栽培土的体积含水率与pH值的关系的曲线图，(a)是粉末试料的曲线图，(b)是混合试料的曲线图，(c)是浮石试料的曲线图。
图6是表示在本发明的实施例中使用的浇水自动控制栽培装置的概略的图。
具体实施形式与本发明有关的方法是以测定土壤体积含水率，从这个体积含水率求得土壤pH值的概念为基础的。
土壤的保水性能够用各种因子表示出来，体积含水率，pH值等也是其中的一个因子。作为测定体积含水率的方法也可以举出采取土壤样品测定它的水分重量的重量法等，但是为了在现场直接测定这个土壤体积含水率，采取样品进行测定的方法因为不能够进行连续测定等所以不能使用。
土壤体积含水率作为在圃场现场直接测定的方法是最近特别令人注目的测定方法，它是用电脉冲方式测定土壤介电常数求得土壤体积含水率的方法。这个方法具有因为测定土壤的某个范围，所以测定值的变动小，测定作业也简单的优点。又，该方法能够非常快地进行测定，容易进行连续测定，电输出信号与体积含水率的相关性也很高。但是，能够用电脉冲方式测定的是土壤体积含水率，还没有开发出从体积含水率求得作为植物可以利用的水分量的指标的pH值的方法。
电脉冲方式的代表方法是TDR法，它的测定原理是水的相对介电常数为81，土壤固形物质的相对介电常数约为4，都显著地大于空气的相对介电常数1，利用在土壤外表的相对介电常数和水分量之间存在着的经验相关性，测定土壤体积含水率。具体的测定方法是在土壤内插入2或3针的平行电极，在这些电极上加上微波，测定其干涉反射波的传播时间。当电极长度为L，反射波的传播时间为t时，微波的传播速度V由V＝2L/t给出。理论上相对介电常数Ka与微波的传播速度V的2次方成反比，所以能够从Ka＝(C/V)2求得相对介电常数。此外，这里C为真空中的光速。
作为类似的方法，还有从在干涉反射波的频域中的特性求土壤介电常数的FDR法。这些方法是能够测定土壤体积含水率，可以用于本发明方法的方法。
可是，这些方法存在着需要为了测定脉冲传播速度的高价的示波器等的缺点。
最近，已经开发出作为具有与这些方法匹敌的性能，但是能够更简单地进行测定的ADR法。这种ADR法是通过简单的阻抗测定简单并廉价地测定土壤的土壤体积含水率的方法。所以，这是用于本发明的更好的方法。
ADR法在利用土壤的相对介电常数Ka受到体积含水率(θ)的很大影响的原理，在从Ka-θ关系求得θ这点上与上述TDR法和FDR法相同，但是ADR法作为相对介电常数Ka的测定方法，在测定当高频电脉冲通过土壤中的探头来回往复时的传输线的阻抗(Z)求Ka这点上是不同的。
图1是根据ADR法的土壤水分传感器1的概要图。(a)是它的正面图，(b)是它的平面图。这个传感器探头在本体部分2中内藏100Mhz的シスンイド振荡器，同轴传输线区域和测定电子电路，传感器部分3由4根平行的不锈钢制成的棒构成。如(b)所示，在传感器部分3的棒中，中央1根是信号棒5，外侧3根是在信号棒周围形成电屏蔽的屏蔽棒6。这个传感器部分具有与在作为传输线附加区域进行工作的，由屏蔽棒6包围的直径26.5mm的范围中的土壤的介电常数大致有关的阻抗Z。
振荡器的信号沿传输线在传感器探头中传播，当传感器部分3的Z与本体部分的同轴传输线的Z不同时，从信号棒和传输线的连接部分4反射回来某个大的信号。这个反射回来的信号比例称为反射系数ρ。
反射系数受到成为通过入射波与反射波发生干涉产生电压驻波的原因的入射信号，即沿馈电线的长度的电压振幅的干涉。
而且，因为使传输线的初期峰值电压V0与连接部分处的峰值电压Vj具有一定关系那样地进行设计，所以可以用传输线的阻抗与土壤基体中的探头的阻抗成为函数的关系式表示振幅差。
通过测定这个振幅差，传感器部分的相对阻抗Z可以由下式表示Z=60Ka[F·r2r1]]]>从而可以求得介电常数Ka。在上式中，r1和r2是信号电极与屏蔽电极的半径，F为形状因子。能够从求得的土壤相对介电常数Ka用下列经验公式θ＝-5.3×10-2+2.92×10-2Ka-5.5×10-4Ka2+4.3×10-6Ka3求得体积含水率θ(m3·m-3)。
此外，电压驻波的振幅具有随着土壤水分增多(相对介电常数增大)而减小的特性。这时，由别的重量法等测定这个土壤的含水量，用ADR法等进行测定求它的输出信号值(例如输出电压)，如果通过改变上述土壤的含水量进行反复测定，则能够得到来自土壤的含水量的体积含水率和输出电压的经过校正的关系曲线，通过在现场用ADR法进行进行测定，能够得到正确的体积含水率。
这样，用根据ADR法等的介电常数的方法能够求得土壤体积含水率。在ADR法中传感器的输出电压与体积含水率θ的关系如图2所示。我们看到两者之间存在着相关关系。
如上所述，如果用根据介电常数的方法，特别是ADR法，则能够简单并容易地求得土壤体积含水率，而且在ADR法中，因为是以某个直径的圆筒状部分的土壤的平均介电常数的测定为基础的，所以传感器探头也可以不与土壤颗粒密切接触，也可以对于浮石颗粒等那样的粗颗粒的土壤测定体积含水率，这是ADR法的优点。此外，在上述和下述中，我们说明了根据由ADR计输出的电压求体积含水率的方法，但是在本发明的方法中，也可以根据由ADR计输出的其它信号值求体积含水率，或者也可以根据TDR计和FDR计那样的其它形式的传感器的输出信号值求体积含水率。
但是，因为用这种测定得到的土壤体积含水率，即含水量也包含土壤的结合水等的植物不能利用的水量，所以是与植物能够利用的水量很好对应的pF值不同的。
在本发明中，通过将这样由ADR法等得到的土壤体积含水率的测定结果换算成土壤pF值，求得土壤pF值。
土壤试料的基体潜力(pF值)和体积水分率与土壤的土性有关，存在着特有的相关关系，我们将它称为水分保持曲线。作为测定土壤试料的水分保持曲线，即基体潜力和体积水分率的相关关系的方法，我们知道有沙柱法，吸引法，加压板法，加压膜法等。这些方法中，除了沙柱法外的其它方法都是通过在土壤试料上加上所定压力，测定达到平衡状态时的土壤重量，求得与它的基体潜力对应的体积含水率，通过在种种压力下进行这种测定，得到关于该土壤试料的水分保持曲线。又，沙柱法代替在土壤试料上加上压力，通过将所定位置的潜力给予放置在沙柱上的在土壤试料，进行相同的测定。
在本发明中，这样，着眼于在土壤体积含水率和pF值之间存在着的与土性有关的相关关系，对于测定对象的土壤预先求得水分保持曲线(相关线)，从用上述ADR法等的方法求得的土壤体积含水率的值，根据相关线求得该土壤的pF值。此外，既可以当制成表时根据换算表得到相关线，如果可能的话也可以将相关线作成近似公式。作为通过相关线从土壤体积含水率求得土壤pF值的方法，最好是，例如，通过将ADR计的输出信号输入到编入了预先求得的相关线的运算装置，利用编入了输出与土壤pF值对应的信号的程序的微计算机等的运算装置的方法。
下面，我们说明根据本发明的对于土壤制作调查体积含水率和pF值的相关性的关系线，根据介电常数求得该土壤的体积含水率，根据作成的关系线从求得的体积含水率求得土壤pF值的方法。
首先，用该技术中众所周知的方法求得成为用于制作体积含水率与pF值的关系线(水分保持曲线)的基础数据的与土壤的种种体积含水率对应的pF值。因为pF值的测定必须具有正确性，所以采用在室内进行测定的方法。作为众所周知的在室内进行的pF值测定法，能够举出沙柱法，加压板法，吸引法，加压膜法，蒸汽压法。其中，沙柱法适用于pF值在0.5～1.4范围内的测定，加压板法适用于pF值在1.6～2.7范围内的测定。又，作为pF值的测定方法也提出了称为“离心法”的方法，但是这个方法还没有充分实用化。所以，作为与在pF＝1.7～2.7的易效水范围内保持土壤含水量的本发明目的一致的方法，能够说加压板法是最合适的方法。但是在本发明中也能够用沙柱法等的其它方法。
例如，在用加压板法测定土壤pF值的情形中，如下地进行测定。
首先，我们用图3简单地说明加压板法的技术内容。加压板装置10由加压室12和加压板13构成，加压板13是将网屏15夹在多孔性板14的下侧，在其上覆盖橡胶膜16构成的。在加压室12中设置压力表18，读取加压室内的空气压力。
将土壤试料11放置在用水饱和的多孔性板14上，从加压装置连通管17加入空气压力，通过多孔性板14将由比与这个空气压力平衡的基体潜力大的潜力保持的土壤水排出去。土壤水从金属制排水孔19通过耐压管20，排水口21，从具有节流夹层22的排水管23流入排水贮存器24。为了使加压室12减压，设置排气阀门25。通过阶段地改变空气压力，能够测定与各基体潜力对应对应的水分保持量。每次加大它的空气压力时与加压板一起取出土壤样品进行测量。通过算出这个测定的土壤试料的重量与干燥状态的土壤试料的重量之差，求得含水量。因为这里求得的含水量与这时的空气压力相对应，即与这时候的水分潜力相对应，所以可以求得与某个pF值对应的含水量。又，基于土壤的嵩比重，也可以求得体积含水率。
通过阶段地改变空气压力重复进行这种操作，能够制成种种pF值和与其对应的体积含水率的对比表。当将表中的值在横轴为pF值，纵轴为体积含水率的图中画成曲线时，得到水分保持曲线。
又，我们参照图4说明同样作为测定土壤pF值的方法的沙柱法的原理。
图4是表示沙柱法装置51的概要图。通常，可以用通过250μm以下的筛子的细沙和将粒径调整到300～180μm的石英沙。将事先经过水洗的沙52充填成圆柱状，打开阀门60从给水口59流入自来水58，使沙被水饱和。此外，在圆柱底部配置支持台61和黄铜筛网62，以便保持沙柱。而且，敲打周围给予振动，使颗粒的配列稳定。为了防止从沙柱上面的蒸发，加盖聚乙烯片或盖子53。在采土圆筒54上也加上盖子能够得到更好的效果。土壤试料(采土圆筒)54放置在沙柱52的上方，将可动式排水口55的高度固定在沙柱上端，将水灌入土壤试料使土壤试料被水饱和。其次，向下移动可动式排水口55到所定位置，通过开放阀门56排出剩余的水57，使沙柱中自由水面的水位下降，因此实施从土壤试料的脱水。从水位计63读取水位L。如果脱水结束则测定这时的土壤试料的质量，求得体积含水率。这时的土壤试料的基体潜力(cm)，当令土壤试料的厚度为1时由-(L+1/2)表示。因而求得在所定pF值的土壤试料的体积含水率。
通过阶段地改变水位L重复进行这种操作，能够制成种种pF值和与其对应的体积含水率的对比表。当将表中的值在横轴为pF值，纵轴为体积含水率的图中画成曲线时，得到水分保持曲线。
另一方面，对于相同的土壤，关于知道体积含水率的样品，例如用ADR计测定它的输出信号值，例如输出电压，制成输出电压与土壤体积含水率的经过校正的换算表。当将该结果在横轴为输出电压，纵轴为体积含水率的图中画成曲线时，得到图2所示的关系线。
这样预先制成关系线，当在一般圃场的现场例如用ADR计测定土壤的含水量时，作为第1工序，从ADR计的输出电压，根据预先制成的输出电压与土壤体积含水率的关系线求得土壤体积含水率，其次作为的第2工序，从求得的土壤体积含水率，能够根据预先制成的水分保持曲线(体积含水率与pF值的关系线)求得土壤pF值。
如果将上述2条关系线输入运算装置，则能够用电子电路从ADR计的输出电压信号算出这个土壤pF值，并将该数值在显示器上显示出来，使得测定作业变成非常简便。
或者进一步，也能将由这个运算得到的土壤pF值的信号送入浇水装置的控制电路，使浇水装置的给水装置工作。
如果根据本发明的方法，与以前使用的典西欧米塔法比较，能够直接并连续地从远处简便地测定土壤pF值，能够利用这个测定结果进行浇水控制。又，用典西欧米塔法不能对具有浮石等那样的多孔质表面的粗颗粒构成的栽培土进行pF值的测定，但是如果根据本发明的方法，则能够通过用ADR法等那样的也可以适合于多孔质栽培土的方法进行体积含水率的测定，求得pF值。
此外，在本发明中用作为测定pF值与体积含水率的相关关系(水分保持曲线)的方法使用的加压板法和沙柱法等，不能够测定特殊的土壤和栽培土，特别是不能测定由具有多孔质表面的颗粒构成的土壤(栽培土)。这是因为，例如当使用粒径1～5.6mm的浮石作为栽培土时，在加压板法中即便在颗粒间加上压力因为含有水不连续所以也不能够测定正确的pF值。即，因为在浮石颗粒栽培土等中不存在连续的含有水，所以由于与毛细管现象的毛细管水没有关系，不能够测定正确的pF值。又，在沙柱法中，在浮石栽培土的情形中，因为没有水的液体路径，所以不能够测定正确的pF值。因此，根据本发明的方法，当对由具有多孔质表面的颗粒构成的土壤进行pF值的测定时，需要花费更多的工夫。下面，我们详细地说明这一点。
本发明者们在研讨能否用加压板法和沙柱法测定浮石栽培土的pF值时，了解到对于只有粗栽培土颗粒的试料不能正确测定pF值，但是对于在粗栽培土颗粒中混入细的栽培土颗粒的试料能够测定它的pF值。而且，准备好粗栽培土颗粒的土壤试料和将该栽培土试料粉碎后制成的栽培土微颗粒试料，进一步，将粗栽培土颗粒的土壤试料和栽培土微颗粒试料混合起来搅拌均匀制成混合试料，对这种栽培土微颗粒试料和混合土壤试料进行pF值的测定，发现通过对得到的结果进行下面说明的“减法处理”，能够求得粗栽培土颗粒的土壤试料的pF值。下面我们详细说明这种方法。
首先，准备好粗的栽培土，例如由粒径1～5.6mm的浮石粗颗粒构成的栽培土。其次，粉碎这个粗颗粒栽培土形成微颗粒调制成栽培土微颗粒。又，将上述浮石粗颗粒与栽培土微颗粒混合起来搅拌均匀调制成混合土壤试料。这时，可以将浮石粗颗粒和栽培土微颗粒等重量地混合起来，但是也不一定需要等重量。可是要确认这时的混合重量比。
对于这样得到的栽培土微颗粒试料和混合土壤试料，用加压板法等方法求得pF值与体积含水率的关系，即水分保持曲线。下面我们说明这种方法。在下面的说明中，为了方便起见，将浮石粗颗粒栽培土试料称为试料B，将从浮石粗颗粒调制成的栽培土微颗粒试料称为试料A，将试料A与试料B混合起来得到的混合土壤试料称为试料C，以用加压板法测定pF值作为例子举例说明。
能够用加压板法测定由栽培土微粉末构成的试料A的pF值，但是不能够用加压板法测定浮石粗颗粒栽培土试料B的pF值。但是能够测定混合土壤试料C的pF值。我们认为这是因为通过使细的微颗粒进入粗颗粒的间隙，不会引起贯通(プロ-スル-)。所以，希望用于调制混合土壤试料的栽培土微颗粒试料的粒径具有微颗粒能进入粗颗粒间隙那样的大小。进一步，又需要微颗粒具有不能进入多孔质粗颗粒的孔那样的大小。这是因为当微颗粒进入多孔质粗颗粒的孔时，它的行为举动发生变化，不能够测量正确的pF值。一般，微颗粒试料的粒径最好在50～200μm范围内，但是并不限定于这个数值。
如上所述，对于粗颗粒试料B不能进行pF值的测定，但是对于微颗粒试料A和混合土壤试料C能够进行pF值的测定。因此，用下面说明的“减法处理”从对混合土壤试料C的测定结果和对微颗粒试料A的测定结果求得对试料B的测定结果。
对于混合土壤试料C和微颗粒试料A，用加压板法测定pF值与体积含水率的关系，即水分保持曲线。也通过改变各试料的含水状态多次进行这些测定。
令在某个pF值的和混合土壤试料C的体积含水率为xc(v/v％)，所定容量的混合土壤试料的含水量为c(g)时，这个混合土壤试料中的微颗粒保持的水量[ca(g)]为将相同容量的栽培土微颗粒试料A在它的pF值具有的含水量[a(g)]乘以混合土壤试料中的栽培土微颗粒的重量比得到的值。即，令上述所定容量的混合土壤试料中的栽培土微颗粒的重量为zca(g)，相同容量的栽培土微颗粒试料的重量为za(g)时，ca＝a×(zca/za)。其次，如果从混合土壤试料C的含水量[c(g)]减去混合土壤试料中的栽培土微颗粒保持的水量[ca(g)]，则可以求得混合土壤试料C中粗颗粒保持的含水量[cb(g)]。即，cb＝c-ca。而且，用混合试料中的粗栽培土的比例对这个含水量进行分割时，能够算出粗颗粒栽培土试料B的含水量。即，令相同容量的粗颗粒栽培土B的重量为zb(g)，粗颗粒栽培土B的含水量为b(g)时，b＝c×(zb/zcb)。能够从由此得到的粗颗粒栽培土试料B的含水量b(g)，求得粗颗粒栽培土试料B的体积含水率(v/v％)。
在上述测定中测定所有试料的重量。此外，由于混合试料中的粗栽培土颗粒的周围被栽培土微颗粒包围，在粗栽培土颗粒的表面的水分潜力减少。但是，因为粗栽培土颗粒是多孔质的，所以被栽培土微颗粒包围的表面积与粗栽培土颗粒全体具有的表面积比较是很少的(1/100以下)，所以达到可以将其忽略的程度。
我们能够认为这样求得的粗颗粒栽培土试料的体积含水率是与它的pF值对应的。而且，如果在种种压力下重复进行这种测定/计算，则能够制成粗颗粒栽培土的体积含水率与pF值的相关关系(水分保持曲线)。
又，同样地，即便在沙柱法中，因为对于粗颗粒试料遮断水的液体路径，所以不能够测定正确的pF值，但是我们知道对于通过粉碎粗颗粒得到的微颗粒试料和将这个微颗粒试料与粗颗粒试料混合得到的混合土壤试料，能够进行正确的pF值的测定。我们认为这是因为由于在粗颗粒间隙中进入了微颗粒形成水的液体路径。所以即便用沙柱法，通过采取上述那样的程序，即便对于浮石等那样的粗颗粒土壤，也能够求得pF值与体积含水率的关系，即水分保持曲线。
通过用这样求得的水分保持曲线和用上述方法求得的ADR计的输出电压值与体积含水率的经过校正的相关关系，用ADR计进行土壤测定，能够经过土壤的体积含水率求得pF值。
即，根据本发明测定土壤pF值的方法与土壤的品质有关具有下列那样的构成。
首先，对于通常的土壤，通过下列程序测定土壤pF值(1)对于测定对象的土壤，用加压板法和沙柱法等方法，求得作为pF值与体积含水率的关系的水分保持曲线；(2)对于土壤，用ADR法等那样的电脉冲式土壤介电常数测定法，测量土壤中的输出信号值(当用ADR法时为输出电压)，从输出电压与体积含水率的关系，求得土壤体积含水率。此外，预先求得关于测定对象的土壤的输出信号值与体积含水率的关系(校正值)；和(3)从在上述工序(2)求得的体积含水率，根据在上述工序(1)制成的水分保持曲线，求得土壤pF值。
又，对于浮石等的多孔质粗大颗粒的土壤，通过下列程序测定土壤pF值(1)粉碎测定对象的粗颗粒土壤试料形成微颗粒试料，又，将粗颗粒土壤试料与微颗粒试料混合起来形成混合土壤试料，准备好同容量的粗颗粒土壤试料，微颗粒试料和混合土壤试料，测量它们的重量。其次，对于微颗粒试料和混合土壤试料，用加压板法和沙柱法等方法，求得作为pF值与体积含水率的关系的水分保持曲线。其次，从得到的结果，用上述“减法处理”求得关于粗颗粒土壤的水分保持曲线；(2)对于土壤，用ADR法等那样的电脉冲式土壤介电常数测定法，测量土壤中的输出信号值(当用ADR法时为输出电压)，从输出电压与体积含水率的关系，求得土壤体积含水率。此外，预先求得关于测定对象的土壤的输出信号值与体积含水率的关系(校正值)；和(3)从在上述工序(2)求得的体积含水率，根据在上述工序(1)制成的水分保持曲线，求得土壤pF值。
按照本发明，通过用如上面说明的测定土壤水分量的方法求得pF值，用得到的pF值对浇水进行控制，能够在最佳条件下进行作物的栽培。即，如上所述每隔一定时间测定土壤pF值，比较测定的pF值和作为目标的pF值，能够不离开作为作物栽培的最佳条件的pF1.7～2.7范围那样地对浇水或培养液的供给量进行控制。这能够用例如设定目标pF为2.0，如果测得比它高的pF值则进行浇水或供给培养液，如果测得比它低的pF值则停止浇水或供给培养液的方法进行。
又，本发明提供为了进行这种浇水控制的装置。即，本发明的其它样态是营养液栽培装置，提供以备有加入点滴式培养液的流动装置；具有培养液流路阀的点滴装置的送出水量控制装置；测定栽培土的体积含水率的体积含水率测定器；取入对于栽培土预先求得的pF值与体积含水率的相关关系，进行从由体积含水率测定器测定的栽培土的体积含水率换算成pF值的运算处理，根据体积含水率测定器的输出结果输出栽培土的pF值信号的运算装置；和根据从该运算装置输出的pF值信号对向点滴装置的送出水量进行控制的点滴装置控制装置为特征的营养液栽培装置。进一步，本发明的其它优先样态是营养液栽培装置，提供以备有加入点滴式培养液的流动装置；具有培养液流路阀的点滴装置的送出水量控制装置；具有插入栽培土的探头的ADR计；取入对于栽培土预先求得的pF值与体积含水率的相关关系和ADR计的输出电压与体积含水率的相关关系，进行从ADR计的输出电压换算成栽培土的体积含水率和从栽培土的体积含水率换算成pF值的运算处理，根据ADR计的输出电压输出栽培土的pF值信号的运算装置；和根据从该运算装置输出的pF值信号对向点滴装置的送出水量进行控制的点滴装置控制装置为特征的营养液栽培装置。
即，作为用于实施进行上述那样的浇水控制的方法的装置，是备有加入点滴式培养液的流动装置，具有插入栽培土的探头的ADR计，和根据该ADR计的输出电压对向点滴装置的送出水量进行控制的控制装置那样地构成的，通过构成固形栽培土耕作式营养液栽培装置，能够构成根据定时器每隔一定时间追随ADR计的输出电压的固形栽培土耕作式营养液栽培装置。此外，通过追随ADR计的输出电压，对向点滴装置的送出水量进行控制，最好将对于作为对象的栽培土预先求得的pF值与体积含水率的相关关系和ADR计的输出电压与体积含水率的相关关系预先取入运算装置中，用运算装置进行从由ADR计的输出电压到栽培土的体积含水率的换算和从栽培土的体积含水率到pF值的换算的运算处理，根据ADR计的输出电压输出栽培土的pF值信号那样地进行构成，通过设置根据这个输出的pF值信号对向点滴装置的送出水量进行控制的点滴装置控制装置能够进行控制。关于根据pF值的测定值调整培养液流路阀的开闭度的周期，与以何等程度的严密性进行控制有关，也随着栽培作物的种类等的不同而不同，但是一般地，每隔10分钟～2小时，最好每隔10分钟～30分钟，根据pF值测定值对浇水或培养液的供给进行控制。
此外，在上述测定中，作为求体积含水率的方法使用ADR法，但是如上所述也可以用作为能够根据介电常数测定体积含水率的测量仪器的TDR计，FDR计等的其它测量仪器。又，测定土壤体积含水率的方法，虽然不是根据介电常数的测量方法，但是如果是能够在圃场直接测定土壤体积含水率的方法，则能够用于本发明中。
能够用本发明的方法测定pF值的土壤如果是上述的所属的土壤就很好，又作为多孔质的栽培土可以举出浮石，木碳等，作为浮石即便对于火山灰与沙子的沉积物浮石栽培土也能够高精度地进行测定。
此外，关于这里的“火山灰与沙子的沉积物浮石”，例如在上述的“土的环境圈”，30～32页中进行了定义和说明。如果根据该定义和说明，则所谓“火山灰与沙子的沉积物”就是“更新代后期的大规模的从卡鲁泰拉(カルデラ)火山喷出的火碎浮石流堆积物的非溶结部分或它的二次堆积物”的总称，在我国，九州南部的人对此有很好的了解。又，除此之外，在屈斜路湖，十胜岳，支笏湖，洞爷湖，十和田湖，阿苏山等的火山周围分布着同样的，但是在国土厅的土地分类基本调查等的表层地质图中作为浮石流堆积物作出了图示。
作为能够用与本发明有关的栽培方法进行营养液栽培的作物的例子，能够举出果菜类，例如，西红柿，小型西红柿，黄瓜，茄子，柿子椒，红辣椒，波菜，秋葵，四季豆，碗豆，苦瓜，丝瓜，西瓜，甜瓜等；叶菜类，例如，色拉菜，菠菜，油菜，穰荷，叶莴苣，鸭儿芹，小型芹菜，蒿子菜，红萝葡等；果实类，例如，波罗，木瓜，草等，花卉类，例如，香石竹，菊花，蔷薇，仙人掌，兰花，蝴蝶花等。
具体实施例方式
下面我们用实施例具体说明本发明。但是本发明不仅仅限定于这些实施例。
实施例1(用ADR法测定体积含水率)用粒径在1～5.6mm范围内的鹿儿岛县出产的火山灰与沙子的沉积物浮石栽培土，通过改变它的含水状态用ADR法进行测定，测量它的输出电压，调查输出电压与浮石栽培土的体积含水率的关系。将这个关系在横轴为ADR计的输出电压，纵轴为体积含水率的图中画出曲线时，得到如图2所示的曲线图。
实施例2(从体积含水率算出pF值)1.试料的调制分别准备好粒径在1～5.6mm范围内的鹿儿岛县出产的火山灰与沙子的沉积物浮石试料，和通过粉碎上述浮石得到的粒径大致在50～200μm范围内的浮石微颗粒试料。分别称出100ml的浮石试料和浮石微颗粒试料。对此，浮石试料的重量为53g，浮石微颗粒试料的重量为79.4g。其次，将浮石试料和浮石微颗粒试料大致等重量地混合起来，调制成混合土壤试料。100ml的混合土壤试料的重量为72.5g，细分起来，浮石试料为35.2g，浮石微颗粒试料为37.3g。
2.测定混合土壤试料等的pF值和体积含水率对于混合土壤试料，用加压板法测定与种种pF值对应的体积含水率。又，即便对于浮石微颗粒试料，也同样用加压板法测定与种种pF值对应的体积含水率。也通过改变各试料的含水状态多次进行这些测定。此外，用加压板法测定pF值是因为能够用加压板法测定的pF值的范围很好地进入实际上适宜的栽培条件的pF值的范围。
3.算出混合土壤试料中的浮石成分的含水量根据测定结果，如表1所示，混合试料M的体积含水率为44.8(v/v％)时，pF值为1.6。又，在这个pF值，浮石微颗粒试料P的体积含水率为53.3(v/v％)。
通过从这个混合试料M的含水量(g)减去混合试料中的浮石微颗粒部分的含水量，求得混合试料中的浮石部分的含水量，从而算出浮石试料的体积含水率。
我们看到从它的体积含水率[A2]得到100ml的混合试料M的含水量[A3]为4.8g。其中，100ml的混合试料中浮石微颗粒成分(37.3g)保持的含水量[A4]计算得到为[53.3×(37.3/79.4)]＝25.1g。
这样一来，混合试料M中浮石成分保持的含水量[A5]为([A3]-[A4]＝(44.8-25.1)＝19.7g。
因为这是35.2g的浮石试料保持的含水量，所以当将它换算成全部用浮石充满100ml容积的情形时(浮石重量为53g)，得到[19.7×(53/35.2)]＝29.7g。
因为含水量是容积100ml的浮石试料包含的含水量，所以这个浮石试料的体积含水率成为29.7(v/v％)。因此，可以认为这个浮石试料在pF1.6时具有29.7(v/v％)的体积含水率。
对于数个pF值进行同样的作业，求得pF值与体积含水率的相关关系。得到的结果如表1所示。在表1中，关于上述试料，表示出pF1.6；1.8；2；2.2；2.5和2.7的结果，但是关于浮石微颗粒试料和混合土壤试料，在pF0.4～2.8的范围内分别测定得到的结果在图4(a)和(b)中用曲线表示出来。从这个结果算出的浮石试料的水分保持曲线的曲线图如图4(c)所示。
当我们观察图4(c)的曲线所示的浮石试料的pF值与体积含水率的关系时，在本实施例的情形中，在pF值1.6～2.0之间因为曲线是平的所以不能充分使用，但是我们认为在pF值2.0～2.7之间pF值与体积含水率之间存在一定的相关关系，能够根据该关系对栽培土的浇水进行控制。
用在实施例2中得到的水分保持曲线，对在实施例1中得到的用ADR法求得的体积含水率的值进行换算，能够容易地算出这个栽培土的pF值。
表1
实施例3(用ADR法对浇水进行控制)用粒径在1～5.6mm范围内的鹿儿岛县出产的火山灰与沙子的沉积物浮石栽培土，进行色拉菜的栽培。作为培养液用园艺试验所标准处方的培养液(简称为“圆试处方”，成分浓度N16meq/l(以下同)，P4，K8，Ca8，Mg4)。首先，将1粒色拉菜的种子播种在带有洞穴的托盘中，进行育苗。育苗21日后以栽培密度42株/m2定植于用于叶菜的栽培苗床中。栽培面积为4m2。浇水与育苗，定植栽培一起都是通过图6所示的自动控制进行的。即，用ADR传感器测定栽培土的介电常数，用输入了在上述实施例1和2中得到的相关关系的运算·控制装置根据从介电常数测定值换算而来的pF值，进行浇水控制。具体地说，实施将设定的pF值定在2.0，如果测定的pF值在这个值之上，则用运算·控制装置操作电源盘使泵和电磁阀工作进行浇水，如果测定的pF值达到2.0，则停止浇水那样的自动浇水控制，定植35日后进行收获，收获量为3203g/m2。又，从定植到收获的培养液的使用量为84.6l/m2。
比较例1(用定时器进行浇水控制)在与实施例3相同的方法中，与实施例3的试验并行地进行色拉菜的栽培。但是，浇水是按照定时器上午9时和下午3时进行2次，这2次浇水都一直继续到从栽培床排出剩余的培养液为止。收获量为2694g/m2。从定植到收获的培养液的使用量为148.6l/m2。又，我们看到接近收获时在栽培床的表面发生苔藓样的东西。这表示供给了比实际生育所必需的量更多的培养液。
比较实施例3和比较例1，如果用与本发明有关的浇水控制方法的栽培方法，则与已有的用定时器的浇水控制方法比较，能够用更少的培养液量得到更高的收获量。即，如果用本发明的方法，则因为可以供给并正确地控制实际必需的培养液量，所以能够防止成为排除液的多余的供给。
如果根据本发明，则能够不用已有的典西欧米塔简单地测定土壤栽培土的pF值。因为这种测定能够用简单的ADR法等进行，所以装置简单，操作简便，得到的数据具有再现性，在一般圃场中都能够简单地进行测定。又，关于颗粒粗的浮石等的固形栽培土耕作的栽培土等，用已有的加压板法等不能够正确地测定pF值与体积含水率的相关关系(水分保持曲线)，但是在本发明的优先样态中，即将对于粗颗粒土壤试料也可以用加压板法等求得正确的水分保持曲线，即便对于这种土壤也能够简单地测定它的pF值。因此，不管土质如何能够容易地管理广泛的土壤，进行防止土壤干燥的作业和进行浇水作业。
进一步，在固形栽培土耕作中，因为能够根据pF值对培养液的供给等进行控制，实施与栽培作物的成长相符合的培养液供给，所以也能增加栽培作物的收获量。又，因为能够自动地测定pF值，所以容易进行控制，不需要人手，能够节省劳动力。
因此，如果根据本发明，则因为能够节省能量，节省资源，节省劳动力，所以对于环境资源是非常有效的。又，能够将栽培需要的水量减少到最小限度，也能够最大限度地利用肥料，所以极大地减少了由于不能被吸收而排出的肥料量，能够消除由于排水引起的水域富营养化，藻类大量繁殖等问题。特别是，在用现在正在广泛使用的栽培土的点滴流方式的栽培方法中，使用过的栽培土作为产业废弃物引起极其重大的问题，进一步由于培养液的剩余供给引起的排液问题也令人注目，但是通过用浮石栽培土并且用与本发明有关的浇水控制方法，能够一举解决这两方面的问题，从资源保护和环境保护两方面来说也都能够收到很大的效果。
权利要求
1.土壤pF值的测定方法，它是测定土壤pF值(土壤水分张力)的方法，它的特征是(a)对于测定对象的土壤预先求得pF值与体积含水率的相关关系；(b)测定土壤体积含水率；和(c)根据上述工序(a)中得到的pF值与体积含水率的相关关系，将在上述工序(b)中测定的土壤体积含水率的值换算成土壤pF值。
2.权利要求第1项中记载的方法，该方法用ADR法，TDR法或FDR法测定土壤体积含水率。
3.权利要求第2项中记载的方法，该方法对于测定对象的土壤预先求得从ADR计，TDR计和FDR计选出的传感器的输出信号值与土壤体积含水率的相关关系，根据上述求得的输出信号值与土壤体积含水率的相关关系，将用传感器测量得到的输出信号值换算成土壤体积含水率。
4.权利要求第3项中记载的方法，该方法对于测定对象的土壤将预先求得的pF值与土壤体积含水率的相关关系和传感器的输出信号值与土壤体积含水率的相关关系取入运算装置，通过运算装置的运算处理进行从传感器的输出信号值到土壤体积含水率的换算和从土壤体积含水率到pF值的换算。
5.上述方法是对于由具有多孔质表面的大粒径的颗粒构成的粗土壤，权利要求第1项～第4项中任何一项记载的土壤pF值的测定方法，在该方法中上述(a)工序包括下列各工序(1)粉碎粗土壤试料，调制成微颗粒试料；(2)将粗土壤试料和微颗粒试料按预先确定的重量比混合起来，调制成混合土壤试料；(3)对于混合土壤试料和微颗粒试料，求得体积含水率与pF值的相关关系；和(4)根据对于混合土壤试料和微颗粒试料得到的体积含水率与pF值的相关值，求得对于粗土壤试料的体积含水率与pF值的相关关系。
6.权利要求第5项中记载的方法，该方法用于粗土壤是浮石的情形。
7.权利要求第5项或第6项中记载的方法，该方法用加压板法或沙柱法求得对于混合土壤试料和微颗粒试料的体积含水率与pF值的相关关系。
8.土壤的浇水控制方法，它的特征是它根据用权利要求第1项～第7项中任何一项记载的方法测定的土壤pF值，为了使土壤pF值成为这个土壤适合于栽培作物的pF值，对水或培养液的浇水量进行控制。
9.权利要求第8项中记载的土壤的浇水控制方法，它的特征是按照定时器周期地测定土壤pF值，根据这个测定的土壤pF值，对水或培养液的浇水量进行控制。
10.营养液栽培装置，它的特征是它备有加入点滴式培养液的流动装置；具有培养液流路阀的点滴装置的送出水量控制装置；测定栽培土的体积含水率的体积含水率测定器；取入对于栽培土预先求得的pF值与体积含水率的相关关系，进行从由体积含水率测定器测定的栽培土的体积含水率换算成pF值的运算处理，根据体积含水率的输出结果输出栽培土的pF值信号的运算装置；和根据从该运算装置输出的pF值信号对向点滴装置的送出水量进行控制的点滴装置控制装置。
11.营养液栽培装置，它的特征是它备有加入点滴式培养液的流动装置；具有培养液流路阀的点滴装置的送出水量控制装置；从具有插入栽培土的探头的ADR计，TDR计和FDR计选出的传感器；取入对于栽培土预先求得的pF值与体积含水率的相关关系和传感器的输出信号值与体积含水率的相关关系，进行从传感器的输出信号值到栽培土的体积含水率的换算和从栽培土的体积含水率到pF值的换算的运算处理，根据传感器的输出信号值输出栽培土的pF值信号的运算装置；和根据从该运算装置输出的pF值信号对向点滴装置的送出水量进行控制的点滴装置控制装置。
全文摘要
本发明的目的是提供测定在土壤中进行栽培时可以根据pF值进行浇水控制的土壤水分量的方法和装置，在此基础上可以根据pF值进行浇水控制的浇水控制方法和装置。为了达到这种目的，本发明是测定土壤pF值(土壤水分张力)的方法，它涉及以(a)对于测定对象的土壤预先求得pF值与体积含水率的相关关系；(b)测定土壤体积含水率；和(c)根据在上述工序(a)中得到的pF值与体积含水率的相关关系，将在上述工序(b)中测定的土壤体积含水率的值换算成土壤pF值为特征的土壤pF值的测定方法，和根据这种pF值的测定对土壤的浇水进行控制的方法和装置。
文档编号G01N22/00GK1409819SQ00817135
公开日2003年4月9日 申请日期2000年12月21日 优先权日1999年12月22日
发明者黑田哲生, 大塚秀光, 神谷一郎, 楢崎祐三 申请人:株式会社荏原制作所