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センターピボット灌漑（中央ピボット灌漑とも呼ばれる）は、水車灌漑や円形灌漑とも呼ばれ、装置がピボットを中心に回転し、スプリンクラーで作物に水を与える作物灌漑方法です。[ 1 ] [ 2 ]ピボットを中心とした円形の領域が灌漑され、上空から見ると作物に円形の模様ができます（これはクロップサークルと呼ばれることもありますが、畑の作物の一部を円形に平らにすることでできるものとは混同しないでください）。 [ 3 ]ほとんどのセンターピボットシステムは水力で動いていましたが、今日ではほとんどが電動モーターで動いています。
センターピボット式灌漑システムは、水を効率的に利用し、農作物の収穫量を最適化できるため、多くの利点があります。特に広大な農地で高い効果を発揮します。
1914年3月23日、アイオワ州オデボルトのジェームズ・A・ノートンは、センターピボット式灌漑システムの特許を出願した。1915年8月17日、特許番号1150144として特許が交付された。特許図面には、中心軸を中心に円を描くように動くパイプを支える複数の車輪のペアが示されている。特許の説明は、「車輪またはそれに類する可動式装置を用いて、ピボット中心を中心に移動可能な散水装置」である。
センターピボット灌漑は、コロラド州ストラスバーグに住んでいた農家のフランク・ザイバックによって1940年に発明されました[4]。[5 ]これは、畑への水の分配を改善する効果的な方法として認識されています[ 3 ] 。
1952年、ザイバックは友人のAEトロウブリッジ、ネブラスカ州コロンバス出身のイーサン・ジェームズ・オルソンと共同で事業を始めた。トロウブリッジは2万5000ドル（2025年換算で30万3000ドル相当）を出資し、特許権の49%を取得した。ザイバックはコロラドからコロンバスに戻り、店を開き、数人の従業員を雇い、パイプの高さを1.8メートル（6フィート）まで上げ、事業を開始した。最初の2年間で、販売したシステムはわずか19台だった。初期の設計は扱いにくく、システムを理解している農家はほとんどいなかった。ザイバックは設計を改良し続け、問題のあるシステムを販売しようとするのではなく、機械をより良くすることに集中した。[ 6 ]
ザイバックは改良設計で成功を収め、システムの運用効率が向上した。1954年、彼は特許をロバート・ドーハティとその会社バレー・マニュファクチャリングにライセンス供与した。ドーハティのエンジニアたちはその後10年間、ザイバックの革新を改良し、より頑丈で、より高く、より信頼性の高いものにし、油圧動力システムから電気駆動システムへと変更した。ドーハティの会社はその後、バレー・イリゲーションを子会社とするバルモント・インダストリーズへと成長した。 [ 7 ]
センターピボット灌漑は、複数のパイプセグメント（通常は亜鉛メッキ鋼またはアルミニウム）にスプリンクラーが全長に沿って配置され、トラスで連結および支持され、車輪付きタワーに取り付けられたオーバーヘッドスプリンクラー灌漑の一種です。[ 1 ]この機械は円を描くように動き、円の中心にあるピボットポイントから水が供給されます。[ 8 ]
センターピボットを使用するには、地形が比較的平坦である必要がありますが、重力流を利用する他のシステムと比較したセンターピボットの大きな利点の1つは、起伏のある土地でも機能できることです。この利点により、一部の地域では灌漑面積と水使用量が増加しました。このシステムは、米国、オーストラリア、ニュージーランド、ブラジル[ 8 ]の一部、およびサハラ砂漠や中東などの砂漠地帯で使用されています。
センターピボットは通常、長さ（円の半径）が500メートル（1,600フィート）未満で、最も一般的なサイズは標準的な400メートル（1/4マイル）の機械で、約50ヘクタール（125エーカー）の土地をカバーします。[ 8 ]
当初、センターピボット式灌漑装置のほとんどは水力で駆動されていた。これらは後に油圧システムや電動モーター駆動システムに置き換えられ、通常は各タワーに取り付けられたモーターによって駆動されるようになった。
外側の車輪セットが回転速度を決定します。内側の車輪セットは、2 つのセグメント間のハブに取り付けられており、角度センサー (マイクロスイッチ) を使用して、ジョイントの曲がりが一定のしきい値を超えたことを検出します。角度が大きすぎると、セグメントが整列するように車輪が回転します。完全な回転の一般的な期間は 3 日です。[ 8 ]一方、他の情報源では、構造物の外縁が毎分2 ～ 3 m (6.6 ～ 9.8フィート)で移動しており、半径 400 メートル ( 1/4マイル)のシステムの 1 回の完全な回転には 14 ～ 21 時間かかることになります。[ 9 ]
均一な散水を実現するには、センターピボットでは機械の半径全体にわたって可変のエミッター流量が必要です。最も外側のスパン（またはタワー）は、最も内側のスパンよりも一定時間内に移動する距離が長いため、ノズルサイズは内側のスパンで最小となり、ピボットポイントからの距離とともに大きくなります。上空から見ると、400メートルまたは800メートルの 放射状灌漑パイプの軌跡によって作られた円形の畑が見られ、毎分数千ガロンもの水を消費します。[ 10 ]
現在主流のセンターピボット式灌漑システムでは、グースネックと呼ばれるU字型のパイプから滴下するスプリンクラーヘッドが、作物から数フィート（最大でも）高い位置に設置されています。これにより、蒸発損失と風による散水量を抑えることができます。ノズルには、固定式、可動式、部分円形など、さまざまな形状があります。各ノズルが適切な設計圧力で動作するように、通常は各ノズルの上流側に圧力調整器が設置されます。
ドロップ灌漑は、ドラッグホースやバブラーと併用して、作物間の地面に直接水を散布することもできます。このタイプのシステムはLEPA（低エネルギー精密散水）と呼ばれ、多くの場合、畝に沿って小さな堰（畝堤防）を建設することと関連付けられています。作物は、灌漑システムの経路に合わせて、直線状に植えることも、円形に植えることもできます。
灌漑設備は直線的に移動するように構成することもでき、その場合は横移動式、直線移動式、車輪移動式、または横転式灌漑システムと呼ばれます。[ 11 ] [ 12 ] これらのシステムでは、水は圃場の長さに沿って走る灌漑水路によって供給されます。水路は片側または中央を通る直線上に配置されます。モーターとポンプ設備は、供給水路の横にあるカートに取り付けられます。カートは機械と一緒に移動します。
農家は、既存の長方形の畑を維持するために、横移動式灌漑を選択する場合があります。これは、畝間灌漑からの転換に役立ちます。横移動式灌漑は、センターピボット式灌漑に比べてはるかに一般的ではなく、より複雑な誘導システムに依存し、追加の管理が必要です。横移動式灌漑はオーストラリアでは一般的です。オーストラリアでは、システムは通常500メートルから1,000メートルの長さです。
センターピボット灌漑は、溝灌漑などの他の多くの表面灌漑方法よりも労働力が少なくて済みます。[ 8 ]また、水路を掘る必要がある地中灌漑技術よりも労働コストが低くなります。さらに、センターピボット灌漑は土壌の耕起量を減らすことができます。そのため、地中灌漑で発生する可能性のある水の流出や土壌侵食を減らすのに役立ちます。[ 8 ]耕起が少なくなると、有機物や作物残渣が土壌に分解されるのも促進されます。また、土壌の圧縮も軽減されます。[ 8 ]
アメリカ合衆国では、半乾燥地帯であるハイプレーンズの初期入植者たちは、干ばつの周期的な影響による作物の不作に悩まされ、 1930年代には壊滅的なダストボウルが発生した。第二次世界大戦後、センターピボット式灌漑が普及して初めて、ハイプレーンズの帯水層地帯は世界で最も農業生産性の高い地域の一つへと変貌を遂げた。
灌漑による取水速度が涵養速度を上回ると、地下水位は低下します。2013年までに、直感に反して、センターピボット灌漑の水消費効率が年々向上するにつれて、農家はより集約的に作付けし、より多くの土地を灌漑し、より多くの水を消費する作物を栽培するようになったことが示されました。 [ 10 ]これはジェボンズのパラドックスの一例です。
米国の一部地域では、巨大なセンターピボット式灌漑装置を使用した集約農業の利益が60年間続いた結果、オガララ帯水層（ハイプレーンズ帯水層とも呼ばれる）の一部が枯渇した。[ 10 ] 世界最大級の帯水層の1つであるこの帯水層は、米国グレートプレーンズの下、サウスダコタ州、ネブラスカ州、ワイオミング州、コロラド州、カンザス州、オクラホマ州、ニューメキシコ州、テキサス州の8州の一部にまたがり、面積は約45万平方キロメートル（ 17万平方マイル）に及ぶ。[ 13 ] [ 14 ]この地域のセンターピボット式灌漑による総取水量は、年間約542万エーカーフィート（6.69 km3 /年）と推定されている。[ 15 ]
1950 年、灌漑農地は10 万ヘクタール (25 万エーカー)に及んだ。センター ピボット灌漑の使用により、カンザス州だけでも約120万ヘクタール (300万エーカー)の土地が灌漑された。最大取水時には、場所によっては地下水位が年間1.5 m (5フィート)以上低下した。極端なケースでは、着実に低下する地下水位に到達するために井戸を大幅に深く掘り下げなければならなかった。 [ 10 ]テキサス パンハンドルの一部の地域では、地下水位が枯渇している (脱水状態になっている)。「帯水層の上に広がるテキサスの広大な農地は、もはや灌漑を支えていない。カンザス州中西部では、帯水層の100 マイル (160 km)の帯に沿った灌漑農地の最大 5 分の 1 がすでに干上がっている。」干上がった帯水層の地下水を補充するには、数百年から数千年の降雨が必要となるだろう。[ 10 ]
21世紀に入り、ハイプレーンズ帯水層の重要性が認識されるようになり、地域[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]および国際的なジャーナリスト[ 19 ]による報道が増加した。 2013年5月のニューヨーク・タイムズの記事「井戸が枯れ、肥沃な平原が塵と化す」[ 10 ]は、ハイプレーンズ帯水層システムの一部が容赦なく衰退していることを詳述している。
作家のエミリー・ウッドソンは、センターピボット灌漑システムの利用増加を、1970年代半ばから1980年代にかけて米国で起こった、近代主義（高価なトラクター、センターピボット灌漑、新しい農薬）への意識の大きな転換と、伝統的な農業からの脱却の一環として捉えた。新世代は、大量の地下水、肥料、化学薬品を必要とする灌漑トウモロコシやピーナッツなどの高リスク・高収益の作物を選んだ。新しい家族経営の農場企業は多くの牧草地を新しい農地に変え、水資源の保全よりも土地価格の上昇に関心を持っていた。[ 20 ] [ 21 ]
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