サトウキビの列間隔に合わせた圧力補償型点滴灌漑テープ：ブラジルの農園技術者がエミッター流量を土壌浸透率に合わせる方法

ブラジルのサトウキビ栽培が畝立て栽培から点滴灌漑へと移行する理由、そしてその移行に高度な技術力が求められる理由

ブラジルは世界のサトウキビ生産量の約40％を占め、約850万ヘクタールの農地で年間6億トン以上を生産している。数十年にわたり、主流の灌漑方法は畝間灌漑だった。これは、傾斜をつけた畝の上部から水を出し、重力で下方へ流す方法である。シンプルで資本コストも低いが、非常に無駄が多い。サンパウロ州の農園での圃場測定によると、畝間灌漑の散水効率は45％から65％で、つまり、放出された水の35～55％は作物の根圏に到達しない。水は畝の表面から蒸発したり、根の深さより下に浸透したり、畑の端から流れ出たりする。

この数値を改善するための経済的圧力は、過去5年間で劇的に強まっている。 ブラジル中南部地域（サトウキビ生産の中心地）における水配分コストは、2020年以降、実質的に40～60%上昇している。これは、灌漑による穀物生産の拡大と、セラードおよび大西洋岸森林地帯における降雨パターンの変化に伴う干ばつの頻発による需要の競合が原因となっている。同時に、サトウキビ産業の持続可能性への取り組み、特にRenovaBioプログラムの炭素強度スコアリングは、水利用効率の改善を奨励している。なぜなら、揚水エネルギーの削減は、炭素強度スコアの低下と、加工サトウキビ1トン当たりのCBIO（炭素クレジット）値の向上に直接つながるからである。

私はリベイラン・プレトとセルタオジーニョのプランテーション技術者とこの移行について話し合ったが、彼らの一貫した見解は、溝から 点滴灌漑 これは単に圃場にテープを敷くだけの問題ではありません。水理設計の論理全体が変わります。畝間灌漑では、適切な流量と許容範囲内の流出量を考慮して設計します。点滴灌漑、特にブラジルのサトウキビ農園によく見られる緩やかな起伏のある地形での圧力補償型点滴灌漑では、個々のエミッターの規模での土壌と水の相互作用を考慮して設計します。これには、ほとんどの農園がこれまで収集していなかったデータ、つまり農園の土壌タイプの空間的な変動全体にわたって測定された飽和透水係数（Ksat）が必要です。

土壌浸透率が点滴チューブの仕様をどのように決定するか

点滴チューブの仕様と土壌浸透率の関係は、たった一つの、容赦のない物理的制約によって左右される。 点滴灌漑システムからの給水量は、土壌表面の吸水能力を超えてはならない。 そうすると、水が表面に溜まり、畝に沿って下り坂を流れ、点滴灌漑が解消しようとしているまさにその不均一な散水パターンを作り出してしまう。

散水量の計算は簡単です。エミッターがテープに沿ってEメートル間隔で配置され、エミッター1個あたり毎時Qリットルの流量で、1列あたりRメートルの間隔で1本のテープラインが設置されている点滴灌漑テープの場合、毎時ミリメートルでの散水量はAR = Q / (E x R)で表されます。一般的なサトウキビ栽培の構成（0.4メートル間隔で1.6 L/hのエミッター、1.4メートルの列あたり1本のライン）では、散水量は1.6 / (0.4 x 1.4) = 2.86 mm/hとなります。これは、土壌の飽和透水係数と比較する必要があります。飽和透水係数は、通常、二重リング浸透計を使用してmm/hで測定されます。 ISO 22282-5 農業土壌向けに改良された地盤調査手順。

問題を引き起こす不一致は、ブラジルの農園全体で驚くほど一貫しています。技術者は、土壌浸透率を測定せずに、カタログのエミッター流量に基づいて点滴灌漑テープを指定しているのです。Ksatが25 mm/hのサンパウロ・オキシソルでは、2.86 mm/hの散水速度は安全範囲内です。土壌はテープが供給するよりも速く水を吸収します。しかし、Ksatが6 mm/hの北東部ウルティソルでは、同じテープでも散水速度は浸透能力の48%に過ぎません。理論的には問題ありませんが、単一の管理区域内での浸透率の空間的変動を考慮すると、危険なほど限界に近い値です。ブラジルのサトウキビ農園における単一の土壌マッピングユニット内のKsatのCV（変動係数）は通常0.25から0.45の範囲です。つまり、「同じ」土壌タイプの一部の地域では、浸透速度が他の地域の半分程度しかないということです。

サトウキビの列間隔と点滴灌漑テープ設計との相互作用

ブラジルのサトウキビの畝間隔は固定されておらず、地域、収穫方法、品種によって異なります。従来の手作業による収穫では畝間隔は1.0～1.2メートルでしたが、過去15年間の業界全体の機械化収穫への移行により、収穫機、トラクター、輸送トレーラーが作物に過度の損傷を与えることなく通行できるよう、畝間隔は1.4～1.5メートルに広がりました。この広い畝間隔は、点滴灌漑の設計計算を根本的に変えることになります。

条間隔が広くなると、各点滴チューブが供給する土壌の体積が大きくなるため、同じエミッター構成の場合、単位面積あたりの散布量が減少する。 1.0メートルの畝間隔で0.4メートル間隔の1.6 L/hエミッターを使用すると、4.0 mm/hの散水量が得られますが、これは浸透性が中程度の土壌には多すぎる可能性があります。同じ構成で1.5メートルの畝間隔にすると、2.67 mm/hの散水量が得られます。これは33%の減少であり、1日あたりの蒸発散量が6～7 mm/日を超えることもある、作物の生育最盛期（中南部では12月から3月）のピーク時の水分需要を満たすには少なすぎる可能性があります。

ブラジルの農園管理者が採用しつつある工学的解決策は、より広い間隔で列ごとに2本の点滴灌漑テープを設置することです。これは、列の中心から0.2～0.3メートルずらして、サトウキビ列の両側に1本ずつ設置します。これにより、エミッターの流量仕様を変更することなく、散水量を2倍にすることができます。例えば、列間隔が1.5メートルの場合、0.4メートル間隔で1.6 L/hのエミッターを2本設置すると、有効散水量は5.33 mm/hとなり、ほとんどの日でピーク時の蒸発散量需要を満たすのに十分です。同時に、エミッターあたりの流量は、浸透性が中程度の土壌で表面が水浸しになるのを避けるのに十分な低さに抑えられます。2本のラインによる材料費の増加（1ヘクタールあたりテープが約90～100%増加）は、流量が少なく低コストのエミッターを使用できることで部分的に相殺されますが、60～80%の正味コスト増加は、生育の重要な時期に水ストレスを解消することによる収量向上と比較検討する必要があります。

エミッター流量の選択：3変数バランス

エミッターの流量仕様は、土壌浸透率、畝間隔、作物の最大水分需要という3つの変数の交点に位置します。これを正しく設定するには、これら3つすべてを同時に解く必要があります。ブラジルの農園技術者たちは、最終的に完全な計算を行う場合でも理解しておく価値のある経験則を開発しました。

ルール1：散布量は、現場で測定した飽和透水係数の80％以下に抑えること。 この20%の安全マージンは、空間的なばらつき、浸透計試験における測定の不確実性、および季節中の湿潤乾燥サイクルの繰り返しによって土壌表面にクラストが形成されることで生じる浸透速度の低下を考慮したものです。飽和透水係数が25 mm/hのオキシソルでは、これにより施用量は20 mm/hに制限されます。これは余裕のある上限値です。飽和透水係数が8 mm/hのウルティソルでは、上限値は6.4 mm/hとなり、この値を超えないように点滴チューブの仕様を慎重に選択する必要があります。

ルール2：ピーク需要時の1日の灌漑稼働時間が8時間から16時間になるように、エミッターの流量を選択してください。実行時間が 8 時間未満の場合、システムが過剰に大きいことを示唆しています。つまり、使用していないテープ容量に料金を支払っていることになります。実行時間が 16 時間を超えると、システムメンテナンスのためのバッファがなくなります。 フィルター 清掃や、追いつくために 20〜22 時間実行したい予期せぬ乾燥期間。ピーク ET が 7 mm/日、灌漑効率 90%、列間隔 1.5 メートル、シングル ライン テープのプランテーションの場合、必要な散水量は約 7 / 0.9 = 7.8 mm/日です。2.67 mm/h (1.6 L/h、0.4 m 間隔、シングル ライン) の場合、2.9 時間の灌漑が必要で、8〜16 時間の枠内に収まります。1.33 mm/h (1.0 L/h、0.5 m 間隔、シングル ライン) の場合、5.9 時間必要で、それでも問題ありません。問題は、浸透率が高く散水量を増やすことができる砂質土壌で発生しますが、ピーク ET は同じままです。システムは物理的に作物が使用できるよりも速く水を供給できるため、エミッターの仕様を意図的に下げない限り、短く非効率的な灌漑サイクルになります。

ルール3：各エミッターからの湿潤土壌体積が、列に沿って、また列を横切る方向に隣接するエミッターと重なっていることを確認する。 サトウキビの根は、葉が茂った状態では列の中心から横方向に約0.5～0.8メートル、深いオキシソル土壌では深さ0.8～1.2メートルの土壌容積から水分を吸収します。テープに沿ったエミッターの間隔が広すぎると、個々の湿潤球が連続した湿潤帯に融合せず、エミッター間の乾燥した隙間にある根は断続的な水分ストレスを受けます。実際的な確認方法は簡単です。灌漑サイクル全体が完了した24時間後に、テープラインに垂直な土壌ピットを掘り、隣接するエミッターからの湿潤前線が深さ0.3～0.4メートルで融合していることを目視で確認します。融合していない場合は、エミッターの間隔を狭めるか、散水時間を長くしてください。

緩やかな起伏のある地形における圧力補償

ブラジルのサトウキビ農園はしばしば「平坦」と表現されるが、これは誤解を招く表現である。中南部地域の地形は緩やかな起伏があり、単一の灌漑用水路や点滴灌漑ブロック間で5～15メートルの標高差が生じることは珍しくない。そして、こうしたわずかな傾斜でさえ、非PC型点滴灌漑テープの均一性に影響を与えるのに十分な静水圧変動を生み出すのである。

標高差が8メートルある10ヘクタールの点滴灌漑区画では、最低地点の静水圧は最高地点の静水圧よりも約80kPa高い。 定格作動圧力が 100 kPa の非 PC ドリップテープの場合、ブロック上部のエミッターには 60 kPa (定格圧力以下、場合によってはエミッターの開弁圧力以下) の圧力がかかり、下部のエミッターには 140 kPa (定格圧力の 40% 上) の圧力がかかり、流量が仕様値の 15～25% 上回ることを意味します。結果として生じる不均一性は、土壌のばらつきの問題をさらに悪化させます。土壌の種類によって既に異なる圃場の各部分は、標高によっても異なる量の水を受け取ることになります。

50～350 kPaの補償範囲に対応する圧力補償型ドリップテープを使用すれば、この問題は解消されます。ただし、システムの圧力調整機能が、各サブメイン接続ポイントでその範囲内の入口圧力を供給していることが前提となります。私が話を聞いたブラジルのエンジニアたちは、各サブメインの始点での圧力調整は、テープの仕様そのものと同じくらい重要だと強調しています。圧力補償型エミッターは、その定格範囲内でしか補償できません。ポンプの容量不足やフィルターステーションの詰まりなどによりサブメインの圧力が50 kPaを下回ると、どんなに優れた圧力補償型テープでも十分な効果が得られません。

ブラジルの環境下における水質とエミッターの寿命

ブラジルのサトウキビ灌漑用水源は、中南部のきれいな貯水池水から北東部の一部地域の鉄分を多く含む地下水まで、水質に幅があり、水質は、エミッターの目詰まりによって性能が低下するまでのPCドリップテープの稼働期間に直接影響する。

ブラジルのサトウキビ点滴灌漑における最も一般的な水質問題は、鉄の沈殿と生物による汚染の2つである。 地下水中の溶存鉄（Fe2+）は、空気に触れると不溶性の三価鉄（Fe3+）に酸化されます。これは、点滴チューブのエミッターから水が土壌大気中に放出されるとすぐに起こります。生成された酸化鉄沈殿物は、エミッターの流路とPCダイヤフラムに蓄積し、徐々に流量を減少させ、最終的には補償機構を機能不全に陥らせます。懸念すべき溶存鉄濃度は0.3 mg/L以上です。1.0 mg/Lを超えると、2～3シーズン以上の耐用年数が見込まれる点滴灌漑システムでは、酸化ろ過前処理による鉄制御がほぼ必須となります。

ブラジルの温暖な水温は、点滴チューブ内部での細菌性粘液、藻類、鉄バクテリアの増殖である生物付着を加速させます。中南部の開放型貯水池に貯められた灌漑用水は、夏季には通常28～32℃に達し、微生物の増殖にほぼ最適な温度となります。標準的な対策は定期的な塩素処理で、次亜塩素酸ナトリウムを注入して、最も遠いエミッターで30～60分間、遊離塩素濃度を1～2ppmに維持します。これは通常、灌漑シーズン中に2～4週間ごとに実施されます。圧力補償エミッターのダイヤフラムの材質は、塩素耐性シリコーンを指定する必要があります。標準的なシリコーンダイヤフラムは、200～300時間の累積塩素曝露後に弾力性を失い、圧力補償機能が事実上停止する可能性があります。

OEMカスタマイズ：プランテーション規模の購入者が指定すべき事項

ブラジルのサトウキビ農園がコンテナ単位で点滴灌漑用テープを発注する場合（5,000ヘクタールの農園では約3,500～5,000キロメートルのテープが必要となる）、調達に関する議論は50ヘクタールのブドウ園からの発注とは根本的に異なる。規模が大きい分、特注設計が正当化され、仕様を誤った場合の損失は数百万レアルにも及ぶ。

エミッターの流量は、公称値だけでなく、2つの圧力点において指定してください。 メーカーに、特定の給水エミッターモデルについて、入口圧力50、100、200、350 kPaにおける流量対圧力曲線を請求してください。適切に設計されたPC給水エミッターの場合、50 kPaおよび350 kPaにおける流量は、100 kPaにおける公称流量の7～10%以内であるはずです。変動が10%を超える場合は、ブラジルのサトウキビ畑に典型的な起伏のある地形に対して、補償機構が十分に機能していないことを意味します。

エミッター入口フィルターのグリッドサイズは、メーカーの標準仕様ではなく、水質分析の結果に基づいて指定してください。 標準的な120メッシュ（125ミクロン）のろ過は、きれいな地表水には十分です。細かい沈殿物や鉄の沈殿物を含む地下水の場合、180メッシュ（80ミクロン）または200メッシュ（74ミクロン）の入口グリッドを使用することで、上流側のろ過をより厳密に行う必要はありますが、さらなる保護効果が得られます。トレードオフは確かに存在します。上流側のろ過が不十分な場合、より細かい入口グリッドは目詰まりしやすくなりますが、ろ過が適切に維持されていれば、PC機構を損傷から保護することができます。

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