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暗渠排水は、土壌中の過剰な地下水を除去し、土壌内の十分な空気空間を確保し、適切な耕作を可能にし、重機による作物の手入れや収穫を容易にするための農業排水システムの一種です。地表水はポンプ、開水路、またはその両方によって排水できますが、暗渠排水は地下水の排水において最も効果的な手段となる場合が多いです。
「タイル排水」という言葉は、もともと焼成粘土製のセラミックタイルで構成されていたことに由来します。このタイルはテラコッタ製のパイプに似ていましたが、必ずしもパイプの形をしていたわけではありませんでした。19世紀には、C字型の溝タイルが平らなタイルの上にアーチ状に配置されるのが一般的で、それぞれ「マグ」と「ソール」と呼ばれていました。今日では、タイル排水とは、この元のシステムと同じ仕組みで機能するあらゆるバリエーションを指します。一般的には「タイルライン」と呼ばれるHDPEやPVC製のチューブが使用されますが、プレキャストコンクリートやセラミックタイルも依然として使用されています。
この図は、最もよく使われている灌漑技術と、排水の処理と再利用にあまり使われていない方法を示しています。栄養分が豊富な灌漑用水を貯水池に集め、干ばつ時に作物畑にポンプで戻す方法は、費用対効果が高く、アイオワ州、インディアナ州、オハイオ州、イリノイ州、ミネソタ州などの農家の間で人気が高まっています。[ 1 ]米国西部の州では、水の塩分濃度が通常高く、直接再利用は実行可能な選択肢ではありません。[ 2 ]排水を再利用可能な状態にするには、逆浸透などの高度な処理技術が必要です。[ 3 ]
農家が使用する排水システムには 2 種類あります。[ 4 ]
地下排水は農家に広く利用されています。多くの利点があります: [ 5 ]
排水を制御するために一般的に使用される技術は 2 つあります。[ 5 ]
農業排水のリサイクルは、乾燥地帯における水不足を克服するための効果的な非従来型の方法です。米国では、連邦水質汚染防止法が国家レベルで水質と汚染を規制していますが、水の再利用に関する法律と規制は州および地方自治体の責任となっています。農業における再生水の利用は、特にテキサス州、ネバダ州、アリゾナ州、カリフォルニア州などの乾燥地帯で急速に増加しています。これらの州は、農業用水の再利用基準を施行するために以下の法律を制定しました。[ 6 ]
灌漑農業は、十分な量と許容できる質の水に依存している。[ 7 ]
水の溶解塩分量は、灌漑への適性を判断する上で最も重要な要素です。塩分が土壌に蓄積すると、水分を保持し、作物が利用できなくなるため、植物に水ストレスが生じます。[ 7 ]カリフォルニア大学コンサルタント委員会の水質ガイドラインによると：[ 7 ]
ほとんどの作物の根は、生育のために十分な空気を必要とします。地中の過剰な水分は土壌の孔隙を埋め、根への空気供給を阻害することで根の成長を妨げ、根腐れや枯死を引き起こします。
地下排水を行うもう一つの理由は、耕作や、作物の手入れや収穫のために重機が通行するのに十分な土壌の硬さを確保するためである。
ほとんどの作物は特定の土壌水分条件を必要とし、湿った泥土ではうまく育ちません。泥土でない土壌でも、ほとんどの植物の根は地下水位より深く伸びることはありません。生育初期には水が豊富にあるため、植物は小さく、それほど多くの水を必要としません。この間、植物は水に到達するために根を伸ばす必要はありません。植物が成長してより多くの水を使用するようになると、水は不足し始めます。この間、地下水位は低下し始めます。すると、植物は水に到達するために根を伸ばす必要が生じます。乾燥期には、地下水位の低下速度が植物の根の成長速度を上回ることがあり、この状態は植物に深刻なストレスを与える可能性があります。
タイル排水を設置することで、地下水位が効果的に低下し、植物は根を適切に発達させることができます。土壌が水分で飽和していない状態であれば、土壌の孔隙に酸素が保持され、根がそれを利用できます。排水タイルは、湿潤期に根が地下水位より下に沈むことを防ぎ、植物へのストレスを軽減します。余分な水分を取り除くことで、作物は根が利用できる水分をより効率的に利用できるようになります。作物の収量増加は、植物がより多くの根を発達させ、より多くの栄養分と水分を吸収できるようになることによってもたらされると言えます。
同じ原理は観葉植物の鉢でも働いています。鉢底の排水穴は培地から余分な水を排出し、培地の孔に空気が満たされて根に供給されるようにします。培地が十分な時間水で飽和状態になると、根は空気を奪われて腐って枯れてしまいます。数百エーカーの畑に格子状にタイル排水を設置すると、同じ効果が得られます。[ 8 ]
タイル排水システムでは、農地の地表下に一種の「配管」が設置され、実質的には、土壌粒子間の地下水がタイルラインに流れ込むようにする地下パイプのネットワークで構成されています。タイルラインを流れる水は、多くの場合、水源よりも低い標高にある地表水ポイント（湖、小川、川）に最終的に排出されます。水は、古いタイル設計の場合はタイルセクション間の隙間から、現代のプラスチックタイルの場合は小さな穴を通してタイルラインに入ります。[ 9 ]タイルまたはタイルラインの設置には、トレンチャー（ディッチウィッチ）、モールプラウ、バックホー、またはその他の重機が使用されることがあります。
土壌の種類は排水管システムの有効性に大きく影響し、十分な排水を確保するためにどの程度の面積に排水管を設置する必要があるかを決定づけます。砂質の土壌は追加の排水をほとんど、あるいは全く必要としませんが、粘土質の多い土壌は水分を保持しやすいため、排水管の間隔を狭くする必要があります。
生垣や防風林の木の根は、隣接する畑の排水管や排水路が提供する好ましい水分条件に自然と引き寄せられます。樹木の根の先端にある根毛は、湿った隙間と乾燥した隙間に対して異なる反応を示すため、向水性が重要な役割を果たします。根毛は、樹木の他の部分とホルモンメッセージを交換することで、そのような好ましいニッチへの伸長に集中するように促されます。排水管の穴、ひび割れたり錆びたりした水道管や下水道管と同様に、これらの根は侵入口と豊富な水分供給という理想的な組み合わせを見つけます。その結果、これらのパイプシステムでは、詰まりが発生することがあり、スネーク、ロータリーカッター、選択的な掘削と引き抜き、および同様の方法で詰まりを解消する必要があります。地域によっては、農家は排水管を常に開通させ、正しく機能させるために、システムのいずれかの部分を毎年少なくとも一部清掃するなど、継続的なメンテナンスを行う必要があります。[ 10 ]： 304-305
古代ローマの著述家である大カトーと大プリニウスは、それぞれ紀元前200年と紀元1世紀にタイル排水システムについて記述している。ジョンストン農場[ 11 ]によると、タイル排水は1838年にジョン・ジョンストンが故郷スコットランドからこの方法をニューヨーク州セネカ郡の新しい農場で採用した際に、初めて米国に導入された。ジョンストンは320エーカー（1.3 km 2 ）に72マイル（116 km）の粘土タイルを敷設した。この取り組みにより、小麦の収穫量は1エーカーあたり12ブッシェルから60ブッシェルに増加した。ジョンストンは「アメリカにおけるタイル排水の父」[ 12 ]として生涯を通じてタイル排水を提唱し続け、農業の成功は「D、C、D」、つまり糞尿、信用、排水の公式によるものだと述べている[ 13 ] 。
排水システムの拡張は、19世紀のアメリカ合衆国における西部開拓の重要な技術的側面であった。アメリカ合衆国の土地は、 1785年の土地条例によって制定された公有地測量制度に従って分割されていたが、特に農地の開発は、耕作可能な状態にできる速度によって制限されることが多かった。例えば、アイオワ州は1846年にアメリカ合衆国の州として承認されたが、土地の所有権を示す地図では、1870年代になってもアイオワ州北西部の人口密度は平均を下回っていた。この地域は、地下水位が高く、湖や湿地が多数あることで知られている。
西部諸州も農業集約化において同様の制約を抱えていた。多くの州は、農業用地の改良を促進するために政府による奨励策を提供した。例えば、インディアナ州の法律がきっかけとなり、1850年に連邦法が制定された。この法律は、農民が土地の排水と農業生産性の向上を図ることを条件に、湿地を割引価格で農民に売却することを定めた。こうした改良を促進するため、ほとんどの州はタイル排水設備の設置を規制する政府機関を設立した。現在でも、より農村部の多い州では、地方選挙で排水管理委員会の委員を選出することが多く、例えばミシガン州では郡排水委員は今もなお住民投票で選出されている。
アメリカ南北戦争後の数十年間で、排水システムは急速に拡大した。例えば、オハイオ州の歴史文献[ 14 ]には、1882年に排水された面積が、それまでのすべての年に排水された土地の面積とほぼ同等であったと記録されている。1930年代には、市民保全部隊が中西部全域でタイル排水システムを増強し、その多くは今でも使用されている。
第二次世界大戦後まで、タイル設置の技術は1838年に初めて用いられた方法とほぼ同じままだった。後にセメント製のタイルが元の粘土タイルに取って代わり、タイルを敷くための溝を掘るのに機械が使われるようになったものの、その工程は依然として非常に労働集約的で、専門の業者に限られていた。
排水管敷設に初めて成功した機械式溝掘り機は、 1880年代後半に発明されたジェームズ・B・ヒルのバックアイ蒸気牽引溝掘り機である。ヒルの溝掘り機はオハイオ州のグレートブラックスワンプの排水に使用された。 [ 15 ] 1995年現在、彼の機械の一部はルイジアナ州ニューオーリンズ、カナダのオンタリオ州、アフリカの一部でまだ使用されていた。[ 16 ]
プラスチック製排水管の導入により、排水管の設置コストと作業量の両方が削減されました。セメント製の排水管を溝に一本ずつ並べる代わりに、軽量で柔軟な排水管を一枚ずつ広げるだけで済むようになったのです。20世紀末、アメリカの農場で大型の四輪駆動トラクターが普及するにつれ、DIY用の排水管設置器具が市場に登場しました。排水管の設置コストが削減され、地主の都合に合わせて作業できるようになったことで、農家は、より高額な作業を行うほどではないものの、局所的な湿地帯の排水が可能になりました。このようにして、農家は排水管設置の設備投資コストを抑えながら、作物の収穫量を増やすことができるようになったのです。
生態学的に見ると、排水システムの拡大は甚大な悪影響を及ぼしてきた。何十万もの湿地生物は、生息地がますます分断され、他の用途に転用されるにつれて、個体数が著しく減少した。20世紀初頭の数十年間、中央渡り鳥ルート内での市場向け狩猟は多くの水鳥種の個体数減少の一因となったが、農業拡大による繁殖地の喪失が間違いなく最も大きな要因である。中西部諸州の初期の地図には、現在では存在しないか、面積が大幅に縮小している多くの湖や湿地が描かれている。農業地域からの水の流れを集中させ、促進する関連プロセスである水路化も、この劣化の一因となった。
タイル排水とそれに伴う景観の変化（湿地の排水、湿った土壌、水路化）は、河川の侵食性を高める一因となっている。[ 17 ]排水による河川のこのような反応は、景観における水の滞留時間の短縮の結果である。例えば、降水はかつて湿地や土壌の表面/内部に保持され、絶えず蒸発するか、植物の蒸散によって利用されていた。水は景観をゆっくりと排水され、最終的に河川に流れ込む。土壌を迅速かつ効率的に乾燥させるために使用されるタイル排水のプロセスは、河川への水の効率的な伝達をもたらし、その結果、より多くの水が河川に供給される。水の量が増えると、水に含まれるエネルギーが増加する。河川が何世紀にもわたって存在してきた動的平衡状態（ゆっくりと形を変え、限られた量の堆積物を継続的に運搬する）は、かつても現在もバランスを崩している。この平衡状態の喪失は、極端な河岸侵食を引き起こし、過剰な堆積物負荷をもたらし、自然環境や河川生息地に深刻な影響を与える。
排水管は、リンを含む一部の栄養素の土壌侵食と流出を減少させることがあります。[ 18 ]リンは、ほとんどの水生生態系で制限栄養素であるため、制御すべき重要な栄養素です。したがって、リンは地表水の富栄養化の主な原因ですが、もう1つの制限栄養素である窒素は、水質に大きな損害を与えます。たとえば、窒素はメキシコ湾の低酸素症に関与しているとされています。排水管は、水が畑から溝に流れ出て土壌や栄養素を運ぶのではなく、地面に流れ込み、次に管を通るため、水質を改善することがあります。土壌は、水が小川や河川に入る前に水をろ過することができます。しかし、保全耕起や河畔緩衝帯などの地表改良を迂回することで、排水管は水質の問題を引き起こすこともあります[ 19 ]。また、排水管からの流出水は窒素濃度が非常に高くなる傾向があります。さらに、排水管には他の化学物質が非常に高濃度で含まれている場合もあります。タイル排水システムでは、地表での保全型農業の効果が低いため、制御排水や人工湿地などの別の手法の方が効果的である可能性がある。[ 19 ]自然の地形が水の流れに必要な勾配を提供しない非常に平坦な地域では、タイルラインに十分な出口を提供するために「農業用井戸」を掘ることができる。ただし、排水井戸は地下水の水質を危険にさらす可能性がある。
集約型畜産（ILO）／集中型動物飼育施設（CAFO）は、家畜排泄物の処理において課題を生み出しています。家畜排泄物には貴重な栄養素が含まれていますが、これらの物質を誤って使用すると、栄養負荷などの深刻な生態系問題を引き起こす可能性があります。排泄物を直接地面に注入することは、肥料散布業者が栄養素の吸収を改善するために用いる方法の一つです。排水管は、液体肥料が土壌を浸透し、排水管を通して圃場から水路に流れ込むため、肥料注入による肥料の地表水路への浸透を増加させる可能性があります。
今日、州および連邦政府によるいくつかの取り組みが、生息地の喪失を食い止めるために行われている。多くのプログラムでは、農家が所有地内の局所的な湿地帯の排水を遮断することを奨励し、場合によっては補償金まで支給している。これは、排水管の取水口を破壊したり、排水管を撤去したりすることによって行われることが多い。土地所有者は、その土地で作物を栽培する能力を放棄することに対して、部分的または全面的に補償を受けることが多い。こうしたプログラムと全国の土地所有者の協力は、様々な水鳥の個体数に大きなプラスの効果をもたらしている。