[論文レビュー] Superhydrophobic sand mulches increase agricultural productivity in arid regions

Adair Gallo, Kennedy Odokonyero+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2021

Aeolian processes and effects参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、土壌の蒸発を低減し、乾燥地域における作物収量を向上させる、バイオインスパイアドのナノスケールワックスコーティングを施した超撥水性砂マルチング（SHS）を導入する。フィールド試験では、通常の灌漑条件下で17–73%、塩分濃度5500 ppmの塩水（塩化ナトリウム）灌漑条件下で53–208%の収量増加が確認され、SHSは水不足に苦しむ農業における持続可能で低コストな解決策であることが示された。

ABSTRACT

Excessive evaporative loss of water from the topsoil in arid-land agriculture is compensated via irrigation, which exploits massive freshwater resources. The cumulative effects of decades of unsustainable freshwater consumption in many arid regions are now threatening food-water security. While plastic mulches can reduce evaporation from the topsoil, their cost and non-biodegradability limit their utility. In response, we report on superhydrophobic sand (SHS), a bio-inspired enhancement of common sand with a nanoscale wax coating. When SHS was applied as a 5 mm-thick mulch over the soil, evaporation dramatically reduced and crop yields increased. Multi-year field trials of SHS application with tomato (Solanum lycopersicum), barley (Hordeum vulgare), and wheat (Triticum aestivum) under normal irrigation enhanced yields by 17%-73%. Under brackish water irrigation (5500 ppm NaCl), SHS mulching produced 53%-208% higher fruit yield and grain gains for tomato and barley. Thus, SHS could benefit agriculture and city-greening in arid regions.

研究の動機と目的

• 乾燥地域農業における持続不可能な淡水使用を是正し、表層土壌の蒸発を低減すること。
• 従来のプラスチックマルチの代替として低コストで生分解性のある素材を開発すること。
• さまざまな灌漑条件下での超撥水性砂マルチング（SHS）の作物生産性向上効果を評価すること。
• 現実の乾燥環境下でトマト、 barley（ barley は英語のまま）、小麦といった主要作物におけるSHSの有効性を評価すること。
• SHSが塩分濃度の高い水（塩水）を用いた農業に適しているかどうかを特定し、水不足地域への応用可能性を拡大すること。

提案手法

• 通常の砂にナノスケールのワックス層をコーティングすることで、超撥水性（接触角 >150°、転がり落ちる角度 <10°）を実現する。
• 複数年にわたるフィールド試験において、農業用土壌の上に5 mm 厚のSHSマルチング層を施工する。
• 通常水と塩分濃度5500 ppm NaCl の塩水灌漑条件下で、トマト、 barley（ barley は英語のまま）、小麦を用いた制御されたフィールド実験を実施する。
• 複数の生育期間にわたり、蒸発速度、土壌水分保持能、および作物収量の結果を測定する。
• SHSマルチング処理群と非マルチング対照群の間での収量改善を統計解析により比較する。
• コーティングの耐久性、撥水性、環境適合性を検証するための補足資料を統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超撥水性砂マルチングは、乾燥地域の農業システムにおいて土壌の蒸発を顕著に低減できるか？
• RQ2 通常灌漑条件下で、SHSマルチングは乾燥環境下の作物収量をどの程度向上させるか？
• RQ3 塩分濃度5500 ppm NaCl の塩水灌漑条件下でも、SHSマルチングは作物生産性を維持または向上させられるか？
• RQ4 コスト、持続可能性、性能の観点から、SHSは従来のプラスチックマルチングと比べてどのように差をつけるか？
• RQ5 現実の農業応用において、SHSマルチングの長期的フィールド性能と耐久性はどのようになるか？

主な発見

• SHSマルチングは土壌の蒸発を顕著に低減し、乾燥環境下での土壌水分保持能を向上させた。
• 通常灌漑条件下で、トマト、 barley（ barley は英語のまま）、小麦の収量が17–73%増加した。
• 塩分濃度5500 ppm NaCl の塩水灌漑条件下では、トマトの果実収量が53–208%、 barley（ barley は英語のまま）の穀物収量が53–208%増加した。
• 砂に施されたナノスケールワックスコーティングにより、接触角 >150°、転がり落ちる角度 <10° の超撥水性が達成され、効果的な水弾き性能が実現した。
• SHSは複数の生育期間にわたり安定した性能を示し、現実の土壌条件下での耐久性が裏付けられた。
• この技術はスケーラブルで低コストかつ生分解性であり、従来のプラスチックマルチングの代替として、水不足地域における農業のレジリエンスを高めるものである。