桜谷 哲夫

application/pdf博士学位論文の要旨及び審査結果の要旨 (Summary of Thesis(DR))424495 bytesA2S56211othe

桜谷, 哲夫

Tohoku University Repository (TOUR) / 東北大学機関リポジトリ

作物体内の蒸散流量測定法の開発とその応用著者 桜谷 哲夫号 211発行年 1981URL http://hdl.handle.net/10097/16856氏 名(本 籍)学 位 の 種 類学 位 記 番 号学位授与 年月 日学位授 与の要件学 位 論 文 題 目論 文 審 査 委 員さ く ら だに て っ お桜 谷 哲 夫農 学 博 士農 第211号昭 和56年7月16日学位規 則第5条 第2項 該 当作 物体 内の蒸散流量測定 法の開発 とその応 用(主 査)教授 佐 藤 庚 教 授 堀 裕教授 庄 子 貞 雄一25一論 文 内 容 要 旨葉か らの蒸散量によって作物の水消費量を評価する従来の方法は,自 然環境下に生育 している作物へ適用する際には多 くの限界がある。このため,自 然条件にさらされている作物の生育と水要因に関する研究は不十分であった。そこで,作 物の茎部における蒸散流量を測定することが可能であれば,自 然環境下での作物の水消費量を簡易に測定できる。そして,各 葉群への水の分配特性および蒸散流に影響されている茎部の熱的性質 も解明できる。それゆえ,茎 部蒸散流の決定法の確立は作物の生態生理の研究 に寄与するところが大きいと考えられる。本研究は,伝 熱工学における熱輸送理論を作物茎部に適用することによって,作 物個体に何らの障害を与えることな く自然環境下で蒸散流を測定する方法を確立することを第1自 標 とし,次にこれを用いて,主 として圃場条件下における作物個体群の水の輸送特性および消費特性に関する知見を得 ることを目的として行 われた。第1章 茎部蒸散流の測定法の開発測定法の原理 は,加 温された茎の温度分布に基づ く方法 と,加 温部位の熱収支に基づ く方法とである。本論文では,前 者を温度波法,後 者を熱収支法 と呼ぶことにする。第1節 従来の測定法植物の茎部蒸散流を求めるための従来の測定法では.,茎 部蒸散流の絶対量を作物に害を与えずに測定することが困難であることを指摘 した。第2節 温 度 波 法 に よ る測 定 法横 断 面 積4〔 面 〕,熱 伝 導 率 λo〔cal・ ㎝}1sec-1℃ 一1〕 を もつ 細 長 い 円 柱状 の 茎 を仮 定 し,その 一 点 に加 温 し,そ の 熱 が 茎 を 伝 導 す る過 程 に 水流 を考慮 した→ 欠元熱 伝導方程 式 を適用 す ると,茎内 蒸 散 流 量W〔g・sec-L〕 は,次 式 で 与 え られ る こ とが わ か った 。卍{CT,一Td)/CTo-Ta)湿1」あo}一 篇b{笛 ÷1舞.η}〕 讐q)こ こで,Toと71は そ れ ぞ れ 熱 源 の 下 流 側 の2点 恥 と 絢(¢o<391)に お け る茎 温(℃),7▼。は茎 の 周 囲 の気 温(℃),ん は 茎 部 で の 対 流 熱 伝 達 係 数 〔cal・ ㎝ 一2sec『1℃ 一1〕,Pは 茎 の 周 囲〔㎝ 〕,%は 水 の 比 熱 〔g・ca1-1℃ 一1〕で あ る。'上 式 を 利 用 す る た め に必 要 な λoは,茎 の 構 成 成 分 で あ る,セ ル ロ ーズ,水 お よ び空 気 の 体 積 率三2』6一にそれぞれの熱伝導率を乗 じ,そ の得 られた各項を加算する方法で求めた。また,ん は茎と同程度の太さをもつガラス棒による実験式か ら評価 した。層測定装置は,絹 巻マ ンガニン線を巻いた熱源,銅 コンスタンタン熱電対,お よび んを一定に保つための断熱材で囲われた空間より構成 した(第1図)。8了1翼1・ ・。TO,..罵oCo㊧畔TD-Ta第1図'温 度波法の測定装置(A)と測定部位の結線図(B}ポット植えのイネを用いて温度波法の適用性を秤量法との比較か ら検討 したところ,温 度波法はおおむね±20%の 精度で蒸散流量を評価できることがわかった,(第3図A)。第 る節 熱収支法に串る測定法茎部の長さL㎝ の部分に一定の熱量Q〔cal・sec-1〕 が与えられているとき,そ の部分には次の熱収支式が成立する。Q=Qf+Qv,+9a+4a (2)こ こ で,Q∫ は蒸 散 流 に よ って 輸 送 され る熱 量,g.と 偽 は熱 伝 導 に よ って加 温 部 の そ れ ぞ れ上流 と下 流 へ 失 わ れ る熱 量,σ 、は熱 源 表 面 か ら周 囲 気 層 へ 失 われ る熱 量 で あ る 。Qノ は, .熱 源 の上流 側 と下 流 側 の 茎 温7、 お よ び7'〆 ℃〕の 差 に流 量W〔g・sec-1〕 お よ び 水 の比 熱%〔ca1・ ぼ1℃ 一1〕を乗 じた もの と して 与 え られ るの で,Wを 求 め る た めの 次 式 を導 い た 。Q一 σ%一 σ4一 σ・,W= (3)CwCTd-Tu一27一g暫と砺 は,次 の一次元熱伝導式の近似式により評価 した。ノ7暫 一7%σ暫=え04駕4謬(4)7己 一7乙9己=λo/4d4コ βここで,五 笛と、4dは加温部あ直下と直上の茎の横断面積〔cfi〕,冗 と垢 は,7磁 と2dの 測定点か らそれぞれ上流および下流へ∠妖㎝,の 距離での茎温である。測定センサーは,熱 量Qを 発生させるためのマンガニン線の熱源,茎 温測定用熱電対,お よび輪を評価するための熱流素子より構成されている(第2図)。Qは 熱源に与え られた電圧 と電流A BCu'㌔_.一 、 噛 一噛 層兎一 一 」一二竜一㌔橿fl『liC。1ヒ ーL.J-i兀 玩瓢しf.'i一_、・1目し」14τrL…...覧第2図 熱収支法の測定ゼシサーの構造㈹と結線図IB}の積により,ま た σ、は熱流素子の内側 と外側の温度差(dlT)か ら評価 した。ポ ット植えのダイズとヒマワ リの蒸散量を秤量法およびチャンバ ー法で測定 し,こ れ らの測定値 と熱収支法による測定値 とを比較 した。この結果,秤 量法による蒸散量と熱収支法による蒸散流量とは士10%以 内で一致 し(第3図B),熱 収支法は作物茎内の蒸散流量評価のためのきわめて有効な方法とな りうることがわかった。蒸散流量とチャンバ ー法による蒸散量の日変化の比較から30分 平均では,両 者の間には明瞭な位相の相違は認められず,一 般には茎部蒸散流量は蒸散量に等 しいと想定できることがわかった。一28一lgl噌四,㌧`6咽虻詳疑{Al00望の直怪00轟UハUOOO●OeσO50cm5072536365譜端7謬㍗臓霧厚Deo;一r一葺_イキ事μs9・hr,t607,⊆40EO0620%茎のあ 至01.48cmO1.4301.28+10%" _B/匪 グ/誕 で;。%ら41蕉 散 量メノ 監20409・30mi㎡1第3図 秤量法から求めた蒸散量と温度波法⑳,お よび熱収支法(B)か ら算出 した蒸散流量の比較60第4節 温度波法と熱収支法の特徴の比較温度波法は,蒸 散流量の小さい場合には適するが,そ の適用には限界があること,こ れに対 し,熱収支法は測定法が比較的単純であり,蒸 散流量のかなり広い範囲に適用でき,し か も比較的に精度も高いことがわかった。第 皿章 、蒸散流の葉層別消費特性第1節 イネの部位別蒸散流特性乳熟期のイネ 「ニホンマサ リ」の主稗の各葉位間の蒸散流量を温度波法に'より測定 した。桿め横断面における水の占有面積 馬 〔c㎡〕の単位面積あたりの流量で定義される水フラックス密度Fω〔g・㎝燭2sec-1〕,お よび桿の単位横断面積あたり流量で表わされ る水フラックス密度F.〔lg・㎝一2sec-1〕は,と もに上方に向 うに従いやや減少する傾向がみられた・(第4図 ・〉』`1任意の部位の馬 とその部位の上方に着生する葉面積との比は部位によらずおお1むね一定値を示すζと,.お よび導管面積と葉面積の比はほぼ一定 という既応め研究とから』,1㌃は蒸散流速度の指標として使用できることがわかった。また,桿 内蒸散流の測定か ら蒸散の湧源強度の算出を試みた。一29一第2節 ダイズの粗植区および密植区における葉群別水消費特性品種 「ミヤギシロメ」の粗植区(30×30㎝)と密植区(20×20㎝)の 個体の茎部3カ 所(下方 より¢1,22,23,と する)の 蒸散流量を熱収支法で測定 し,栽 植密度による水消費特性を調べた(第5図)。 その結果,粗 植区では,植 被の上層に分布する23よ り上方に着生する上位葉群,お よび21～22間 に着生 し葉群分布が上層までおよんでいる下位葉群の水消費量が大き く,植被の中層に分布する 宛 ～β3間 に着生する中位葉群の水消費量は小さいこと,密 植区では最上層に分布する上位葉群の水消費量が大きく,中 ・下位となるほど小さ くなることがわかった。粗 ・密植区によるこのような差異1ま葉層の密度げと幾何学的構造による日射環境の差異に起因するものと考えられた。上層に分布する上位葉群では,粗 ・密植区ともに日中に水消費率(基 部蒸散流量に対するその葉群の水消費量の比)が 低下する現象がみ られ,そ の原因として,日 中における上位葉群の水分ス トレスの増加を考えた。蒸散の湧源強度は,粗 植区は最上層よりやや下方にピークを もち,密 植区では最上層に大きな ピークをもつ分布型となることが認め られた。80400OO8'4(ε。)三9Φエ0毒直!Sept.e、19771400む 　喉む 　、1む 　L』 山Sept.13,19771315 .rl'む 　も48040a塗朋論.r。」↓触。～・ト・S.o㎜rW旦L赫F9議F割9123.のら印09cm2hrcm2hrhrcmsec第4図 イネの稗における水フラックス密度.凡,F,蒸 散流量W,お よび蒸散の湧源強度1らのプロフィル第5節 温室キュウリの葉騨別水消費特性品種 「王金半促成 」を用いて,ダ イズと同様の手法によって水消費特性を調べた。水消費量は上位 ・中位葉群で大き く,下 位葉群ではそれ らの2/3程 度であった。上位葉群では,日 中に水消費率の低下がみ られた。湧源強度は,最 上層よりやや下方にピークをもつ分布となることがわかった。一30一第皿章 自然環境下における2～5の 作物の蒸散特性第1節 イネの蒸散特性枠水田条件 下でイネ(品 種,ササニシキ)の 蒸散量を温度波法により測定 した。蒸散の日変化は日射に最もよく追随し,飽差と気温に対する追随性は明瞭でなかった。気孔抵抗と気層抵抗の和である全拡散抵抗を蒸散流量と葉面飽差に基づいて求めた。その結果,全 拡散抵抗は日中に最小を示 し,朝 ・夕に大きい値を示 した。これは気孔開度の既応の測定結果と似ており,』本測定法は気孔抵抗の研究にも利用できることがわかった。 日中の飽差が20㎜Hgと,か なり乾燥 していた夕方に蒸散流の振動現象を謙めた。これは,蒸 散と吸水のアンバランスによって生じたものと考えた。160A組;植 区 B家 植 区ー1「I」「」[ーLー「」「ト」「卜」「」「-「ト」く∪∩VO4h∠8㌔各0000000666㌔`㌃呂{A,箪 徹流量z1∠=二縫 弘 ・、.ρ ＼・;へ'/曝二等 、＼ミ〔B}輔雌 よ位葉燐メ熱[`C,・K綴 卑 上位 期[Ii甫IIIIr:1」1一 ・':～ 二'.粘.`麟下位禦1一鵬 照欄,耀、灘1」11111甜llIcoII!「91215賄{ol日 年瞳ートL己Q∩)02T」̀㌔28………………凹1815厳12積面ー葉9T-Sbl」ーρ◎ーL18麦ea60岳ヤ⊃4020Lo9121518時 刻IJST}隆痂区量轍oo渦o〔}昌02薬面 権 蜜度`m",第5図 ダイズの粗植区および密植区個体の葉群別水消費特性(1979年8月1日)第2節 ダイズの蒸散特性品種 「エンレイ 」を用い,粗 植区(40×40㎝)と 密植区(20×20㎝)で 蒸散特性を調べた:。単位土地面積あたりの蒸散量は,密 植区では粗植区の約2倍 であった。このことか ら,密 植区ではかなりの水が消費されていることが示唆された。次に,粗 植区について,1晴天 日,曇 天日および雨天日の蒸散特性を調べた(第6図)。 晴天 日には,蒸 散の急激な増加は日の出より約2時 間後にみられることもあった。この立ち上 りの遅れは,葉 面上の露によって蒸散が抑制されるためと判断された。晴天日の全拡散抵抗は10時 頃に最小を示 し,以 降増加の傾向を示 した。曇天日のそれは,日一31一印A日者 天 日21A[_散1量墾篭1・8旧旧射量毒タ・恵8二、醗書4輝 温9落嶺(!ラ 脚,8,ラ)21OOOO642042042}築マ。"㌧`塞。48呈∈ORu210●50T§60umB曇 天日偶弦搬`/ラ曾03,曾)闘az}・nEO.19-oc雨 天日 (/ヲ釦・㊧3)【Al:鰍雌i[塾 資 兜1気＼峨ンv～i06121824s以駐 」墓・{日饗 灘一ノ ㌔P1605↑21624亥りIJSTl22-06121824第6図 晴天日,曇 天 日および雨天日におけるダイズの蒸散特性中においておおむね一定であった。両者の相違は,水 分ス トレスの発達の差異によるものと考えられた。雨天 日(日 雨量22㎜)に も,蒸 散の日変化が明瞭に認められた。その変化は,日 射と飽差の変化に追随 していることがわかった。上の測定期間の地下20㎝ のpFは1.6～2.9の 範囲にあったが,こ の土壌水分の差は蒸散量にほとんど影響を与えなかった。9一これらの測定で得 られたデータを用い,日 射量および飽差 と蒸散量との関係を調べた。日射量・と蒸散量との関係は,飽 差が比較的小さい場合には,ほ ぼ直線関係を示 し,飽 差が比較的大きい場合には,日 射の増加に伴なって蒸散の増加が鈍 くなることがわかった。この結果は,現 在までの計算および実験結果と一致 した。一方,飽 差の増加に伴なって蒸散の増加は鈍化 した。全拡散抵抗は,日 射の増加に伴 って減少 し,60cal・cm-2hr-1以 上では一定(3～4sec㎝ 二1)となった。また,飽 差が9㎜Hg以 上では,飽 差の増加に伴 って全拡散抵抗は増大す ることが認められた。第5節 サ トウキビの蒸散特性品種 「F161」 と「NCo310」 を用い,熱 収支法により蒸散量を測定 した(第7図)。 その結果,蒸 散特性に品種の差は認められなかった。蒸散は,午 後になるとやや急激に減少 した。また一32一植被面に入射する散乱光の減少につれて蒸散は減少 した。これ らの結果および既応の研究結果を参照すると,サトウキ ビは水分ス トレスや日射に敏感な作物であることが推察された。30㎜ の灌水によりpFは2.7か ら14に 低下し,蒸散量は17%増 加した。しか し,非 灌水区との間で日変化パターンの差異は認められなかった。このことか ら,蒸散の日変化パターンはダイズと同様,気 象条SEP.30,1979{A達 散 量 一F1603・…NC。310、ら∠41釜㌃℃.o0∩)000843L`叱ヒo.一◎Q'、、桑 ノ'9791,jTCO一、A気1》{B魔=欝1"!9芝生69121518蒔 刻臨691215181JST)第7図 サ トウキビの蒸散の日変化特性件によって強 く支配されているということができる。第4節 蒸散 量 の 作物 間 比 較イ ネ,ダ イズ,サ トウキ ビ,キ ュ ウ リの 葉 面 積 あた り蒸 散 量 を同 一 日 射量 下(60ca1・ ㎝一2hr-1)で 比 較 した と こ ろ,イ ネ 〉 サ トウ キ ビ〉 ダ イ ズ 〉 キ ュ ウ リの 順 とな った 。第W章 イネの見掛けの熱伝導率と蒸散流との関係イ ネ の 桿 に 温度 波 法 を 適 用 して ,体 温 の成 立 に 関係 して い る見掛 け の 熱伝 導 率 と蒸 散 流 との 関係 を調 べ ると と もに,茎 温 に対 して 水 温 の 影響 が お よ ぶ 高 さ に つ い て も検 討 した。見掛 け の 熱伝 導 率 えは(1拭 に お い てW富0と お き,λoに つ い て 整理 し,λoを え と置 換 えて 得られ た 。.F"が 約109・ ㎝ 一2hr-1以 上 で は ,λ は 急 激 に 増加 し,Fψ=509・ ㎝一2hr-1で は λ=0ρ16ca1。 ㎝『1sec『1℃ 『1と な り,水 の約11倍 と な る こ と が わ か った 。一33一20105孕・謂量。奮マ新鷹忌、_韮 。班_↓ 一_Il。050、m}r一 「_.α501;セ=ロ0.721 1『一aO .53一 β0 .631-00 .65噌1一「_1ノ σ一 一辮i、メ8Iil1ilI}II1}Elill・一　 .一一..一.一曽IllII口!1i第8図51050㌦9・c㎡2hr1イ ネの 桿 内 の 水 フ ラ ック ス密 度(凡)と λとの関 係水田条件におけるイネの λは蒸散流によって変化 し,夜 間には0ρ01,日 中にはOD2ca1・ ㎝一1sec-1℃ 一1となった。このことは,日 中においては水温がより桿の高い部位 まで影響することを示唆 している。そこで,水 温のおよぶ高さE〔㎝〕を水温一気温の差に対する茎温一気温の差の比が1/20と なる高さと定義 し,1㌦ と丑との関係をみた。その結果,桿 からの蒸散がないと仮定 した場合には,稗 部における んが小さいほど,ま たF"力汰 きいほど水温の影響は稗の高い部位にまでおよぶことがわかった。水田条件 下でのEは,夜 間では2α皿,正午 ごろでは10cmに 達することがわかった。以上の結果か ら,蒸 散のさかんな日中には水温の影響がより上部まで波及 し,逆 に蒸散の少ない夜間には水田水温の影響は水際部位に局限され ると推論できる。一34一審 査 結 果 の 要 旨耕地の自然環境下に生育する作物個体群の蒸散量を正確に測定することは,農 業技術の開発のみならず耕地の生態生理学研究上不可欠のことである。 ライシメーター法,チ ヤンバー法,微 気象学的方法などによって作物の水消費特性を評価する従来の方法には,経 費を多 く要 したり,立毛中の作物に何等かの影響を与えずには測定できないなど適用上多 くの限界があった。したがって,自 然条件下における作物 と水要因 との関係の解明はお くれており,新 しい測定方法の開発が切望されていた。著者は,伝 熱工学における熱輸送理論を作物の茎部に適用することによって,作 物個体にほとんど障害を与えることなく,耕 地群落内作物個体の蒸散特性を立毛のまま測定することに成功 した。温度波法および熱収支法の2法 を考案 して比較検討の結果,後 者の方が適応性が広い上に測定法がよ り簡便でかつ精度が高い(前 者の誤差±20%以 内,後 者の誤差±10%以 内)こ とを立証した。次いで,こ れ らの新 しい方法を用いて,自 然環境下のイネ,ダ イズ,サ トウキビおよび温室内のキウ リについて,葉 群別,部 位別の蒸散流特性をしらべるとともに,同 時に測定 した葉群構造,日射,気 温,飽 差,葉 面拡散抵抗などとの関係を考察 し,従 来の知見を再確認するとともに,いくつかの新知見を加えることができた。従来,方 法論的に困難視されてきた耕地の自然環境下の作物の水消費特性が本法によって精度高く評価できることになり,本 法は今後の耕地生態生理学の発展,水 の有効利用技術の開発の上に強力な手段 となるであろう。ここに審査員一同は,本 論文が農学博士の学位を授与するに十分な価値をもつ業績であると認定 した。一35一

作物体内の蒸散流量測定法の開発とその応用

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作物体内の蒸散流量測定法の開発とその応用

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