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灌漑時に散布する塩の管理を誤ると、多くの場合、最終的に生産量が激減する。誤った灌漑は、水コストと灌漑に使用するエネルギーも増加させる。土壌中の塩分バランスを理解し、根域の塩分濃度を許容範囲に維持するために必要な溶出率、つまり灌漑用水の追加量を知ることは、灌漑管理者の成功にとって非常に重要である。しかし、土壌の塩分濃度をモニタリングすることは、あまり理解されていないことが多い。

安定した高収量のためのEC測定

以下のウェビナーでは、世界的に有名な土壌物理学者であるゲイロン・キャンベル博士が、土壌の電気伝導率（EC）測定の基礎と、作物の収量と利益を維持するために絶対不可欠でありながら、ほとんど意識されることのないツールの使い方を教えています。学ぶ

• 灌漑農業における塩の発生源
• 塩が植物に与える影響とその理由
• 土壌中の塩分の測定方法
• 土壌中の塩分量と一般的な測定値の関係
• 塩が様々な植物種に与える影響
• 与えられた水質に対してどれだけの水を適用すべきかを知るために必要な計算方法

なぜECを測定するのか？

灌漑地は食糧供給の40％を占めているが、塩分はその約5分の1のエーカーの収量に影響を与える。すべての灌漑用水には、少なくともいくらかの塩分が含まれている。塩分が作物の根の周りに蓄積するのを許すと、植物を傷つけ、収量を減らし、さらには土壌構造を変化させ、土地自体に長期的なダメージを与える。灌漑地の生産性を維持するためには、塩分の管理方法を理解することが重要である。

塩を管理する手順は以下の通りだ：

• 土壌中の塩分濃度を測定する
• 灌漑による塩分添加量の決定
• 塩分を管理するため、灌漑中に継続的に監視する

電気伝導率（EC）は、これらの測定を行うための鍵である。純粋な水は電気を通さないが、ほとんどの水、たとえ水道水であっても、電気を通すのに十分な溶存塩類を含んでいる。水中の塩分濃度は導電率に直接影響するため、電気伝導率の測定は土壌水中の塩分濃度を測定する非常に効果的な方法である。

塩と植物：何が問題なのか？

肥料をやりすぎて、草や他の植物を枯らしてしまった経験は、おそらくほとんどの人が持っているだろう。肥料が植物を「焼いた」とよく言われるが、一般的に、ダメージを与えるのは栄養素そのものではない。多くの場合、水に対する影響である。植物は水を取り込むが、塩分はあまり取り込まない。施肥や灌漑によって土壌に塩分が加わると、そこに塩分が濃縮される。塩分は植物にさまざまな問題を引き起こす可能性がある。例えば、Na+は植物にとって有毒な濃度に達する可能性がある。また、塩は水を引き寄せ、植物が土壌から水分を取り込みにくくする。土壌中の塩分に敏感な植物もある。例えば、豆類は土壌飽和エキスECが2 dS/mを超えると収量に影響が出るが、大麦は土壌飽和エキスECが16 dS/mまでであれば収量の減少なしに栽培できる。しかし、最終的には、高い塩分はすべての植物に影響を及ぼす。

敏感	中程度の耐性	高い耐性
レッドクローバー	小麦	ナツメヤシ
エンドウ豆	トマト	大麦
豆	トウモロコシ	甜菜
洋梨	アルファルファ	コットン
オレンジ	ポテト	ほうれん草

表1.作物の耐塩性

EC共通ユニット

電気伝導率のSI単位はシーメンであるため、電気伝導率の単位はS/mである。古い文献で使われていた単位は mho/cm（mhoはオームの逆数）。土壌のECは一般的にmmho/cmで報告されていた。1mmho/cmは1mS/cmに等しいが、SIでは分母に倍数を使用することを推奨していないため、この単位はmmho/cmまたはmS/cmと数値的に等価なデシシーメン・パー・メーター（dS/m）に変更されている。

• 電気抵抗 - Ω
• コンダクタンス - 1/Ω
• mho - 現在はシーメンス
• 旧単位 - mmho/cm
• 最新の単位 - mS/cmまたはdS/m

 

USDAクラス	飽和エキス（dS/m）	土壌中の塩分（g塩/100g土壌）	浸透ポテンシャル(kPa)	作物耐性	作物例
A	0-2	0-0.13	0 から -70	敏感	豆
B	2-4	0.13-0.26	-70から-140	中程度の感度	トウモロコシ
C	4-8	0.26-0.51	-140 から -280	中程度の感度	小麦
D	8-16	0.51-1.02	-280から-560	寛容	大麦

表2.土壌の塩分階級（Richards, L.A. [Ed].1954.Diagnosis and Improvement of Saline and Alkali Soils, USDA AG Handbook 60, Washington DC)

ECの測定方法は1つではない

土壌中のECを測定するには、間隙水EC、バルクEC、飽和抽出ECの3つの方法がある。この3つはすべて関連しているが、一方を他方に変換するツールもある。測定データを理解するためには、どのタイプのECが測定されているかを知ることが重要である。

間隙水のEC：多くの研究者が測定対象としているもの

間隙水ECまたは土壌水EC（_σw）は、土壌細孔内の水の電気伝導度である。研究者は、土壌ECセンサーから出てくる値を間隙水ECと勘違いすることが多い。間隙水の電気伝導度をその場で測定できれば理想的である。しかし、これがどのように機能するか想像してみてほしい。小さなセンサーを微細な水で満たされた孔に挿入しなければならない。明らかに、そのスケールで水のECを測定することは不可能だ。実際、間隙水のECを測定する唯一の方法は、土壌水のサンプルを採取し、そのサンプルのECを測定することである。

バルクEC

バルクEC（_σb）は、土壌のバルク（土壌、水、空気）の電気伝導度である。土壌に設置された土壌水分センサーはすべて、バルクECを測定する。測定されたバルクEC値から間隙水ECと飽和抽出EC（σ_e）を決定するには、経験式または理論式を使用する ことができる。バルクECは、原位置で継続的にモニ タリングできる唯一のEC指標である。

飽和抽出物EC：伝統的な方法

飽和抽出EC（σ_e）は、土壌中の塩分量を正確に示し、土壌塩 分濃度に換算することができる。これは、ECを測定する伝統的な方法である。土壌サンプルを採取し、土壌と脱イオン水で飽和ペーストを作 り、水を抽出した後、抽出液のECを測定する。文献に掲載されているEC値は、ほとんどの場合、飽和抽出液のEC値である。

バルクECから間隙水ECへの変換

前述のように、原位置センサーはセンサーを取り囲むバルク土壌の電気伝導率（σ_b）を測定します。_σbと間隙水の導電率（_σw）の関係を明らかにするために、かなりの量の研究が行われてきた。Hilhorst (2000)は、土壌のバルク誘電率（ε_b）とσ_wの間の線形関係を利用して、_εbが既知であればσ_{bから σ}wへの変換を可能にしている。TEROS 12センサーは、同じ土壌体積でε_bとσ_bをほぼ同時に測定する。この方法に適している。間隙水導電率は、以下の式から求めることができる（導出は Hilhorst, 2000 を参照）。

 

ここで、σ_wは間隙水の電気伝導率（dS/m）、_εwは土壌間隙水の誘電率の実数部（単位なし）、σ_bはセンサーによって直接測定されるバルクの電気伝導率（dS/m）、ε_bは バルク土壌の誘電率の実数部（単位なし）、ε_σb=0はσ_b= 0のときの誘電率の実数部（単位なし）である。ε_w（ 式2）の値は約80である。より正確な値は、地温から次の式で計算できる。

 

ここで_Tsoilは、METER 土壌 EC センサーで一般的なように、バルク EC 測定に併設された温度センサーによって測定された土壌温度（ºC）である。

ε_bは、ほとんどの研究グレードの体積含水率センサーでも測定される。

最後に、εσb=_0は、EC=0のときの土壌の誘電率を緩やかに表すオフセット項である。Hilhorst（2000）は、εσb₌0=4.1を一般的なオフセットとして使用することを推奨している。Hilhorst (2000)は、個々の土質について_εσb=0を決定する簡単で容易な方法を提 供しており、これによりほとんどの場合においてσ_wの計算精度が向上する。

我々のテストによれば、上記のσ_wの計算方法は、含水率が高い（25％以上）土壌やその他の生育培地において、まずまずの精度（±20％）を示す。含水率が低下すると、式1の分母が小さくなり、計算誤差が大きくなる可能性がある。最良の結果を得るためには、含水比が高いときに Hilhorstの式を用いて飽和抽出物EC（_σe）を求め、含水比が低 い（25%以下）ときに、水が除去される間、塩分が土壌に留ま ると仮定して間隙水ECを計算することを推奨する（式3に 示す）。この仮定を用いると

ここで、θは土壌の体積含水率、θ_sは飽和含水率であ り、土壌の嵩比重から計算できる。

ρ_bは土壌のかさ密度（Mg^/m3）であり、ρ_sは固形物の密度（鉱物性土壌の場合は2.65^Mg/m3）である。

間隙水ECから飽和抽出物ECへの変換

飽和抽出液のEC（_ECeまたは_σeとして示されることが多い）は、土壌の飽和ペーストから除去された間隙水の電気伝導度である。土壌を蒸留水で飽和するまで湿らせる。次に、土壌を真空漏斗内のろ紙の上に置き、吸引する。試料から除去された水の電気伝導度を測定すると、σ_eが求まる。_土壌のσeは，ほとんどすべての塩分推奨値 （例えば，Richards, 1954を参照）に使用される値であ り，したがって，重要な値である。σeは，間隙水ECから次式で求めることができる。

式1と4を組み合わせると

式6は、現場での塩分濃度の評価に最も有用な式であろう。ここでも、精度を最大にするために、含水率が最も高いときに使用する。

例として、土壌のかさ密度を1.33^Mg/m3 と仮定する。式4から、飽和水分は1 - 1.33/2.65 = 0.5となる。嵩比重が0.345^m3/m3、嵩比誘電率(ε_b) = 20の場合、嵩ECは0.3 dS/mとなる。_σeは次のようになる。

バルクECから間隙水ECを計算する

バルクECから間隙水ECを計算するのは、ある単位セットから別の単位セットに変換するのと同じではありません。というより、さまざまな種類のモデルがある。経験的なものもあれば理論的なものもありますが、どれもそれぞれ長所と短所があります。今回はヒルホースト・モデルを紹介したが、他にもローズ・モデルやムアレム・アンド・フリードマン・モデルなど、ポピュラーなモデルがある。

表3.さまざまなECの測定方法

応用1：塩分の蓄積を最小限に抑える

土壌中のECを測定する最も一般的な理由の1つは、生育の盛んな植物の根域の塩分を最小限に抑えることである。根域のECが高くなりすぎた場合、栽培者は灌漑水を追加して根域の下に塩分を溶出させることができる。下の図は、飽和抽出物の値を相対的に比較したもので、色が薄いほどECが低く、色が濃いほどECが高いことを示している。

応用2：浸出割合の計算

溶出率（LF）は、根域の底部から排水される水の深さ（_Ddrain）を、（灌漑や降水によって）土壌プロフィールに散布された水の深さ（_Dapplied）で割ったものと定義される。

溶出率を用いて、根域で特定の電気伝導率を維持するために、どれだけの水がプロファイルを通過する必要があるかを計算する。

例えば、灌漑用水のECが0.3 dS/mで、根域を通過して排水される水のECが3 dS/m以下であるべきだとすると、灌漑者は散布水の10分の1をプロファイルに流すべきである。

しかし、これはすべて、排水量（根域の底からどれだけ水が排水されているか）が正確に測定されていることが前提である。実際には、これを測定するのは非常に困難である。革新的なアプローチは、浸出割合の方程式を逆転させ、排水のECを用いて深部排水量を計算することである。排水のECは、根域の下にプローブを設置して測定することができる。

式を並べ替えると、排水深度は、散布水深に散布水（降水と灌漑）のECを乗じ、排水のECで割ったものに等しい。

ほとんどの地域では、塩分を含まない雨が全体的な塩分バランスに大きな役割を果たします。灌漑水のECに灌漑深さを乗じ、雨の深さと灌漑深さで割ることで、雨の寄与を考慮した灌漑水のEC（_ECapplied）を調整することができる。

バルクEC測定値を用いた浸出割合の計算例

浸出割合は0.4/4で10%である。排水によって失われた水の総量は2.5cmである。

アプリケーション3：根域の養分を追跡する

図2は、施肥直後の3つの深さにおける土壌水分量の経時変化である。しかし、肥料はどこにあるのだろうか？土壌水分値からは、養分の溶出や排水の兆候は得られない。

図3では、GS3によるバルクECと体積水分の測定値を用いて、同じ3つの深さにおける間隙水ECを計算した。肥料は一時的に根域に留まるが、根域から排水される水によって溶出されることに注意。どちらのグラフもStirzaker（2010）から引用した。

ECのためのデータ収集

以下のセンサーを使用することで、特定のECモデルやアプリケーションのデータを収集することができます。

5TE、GS3、TEROS 12

これらの土壌水分センサーは、測定に使用することができる：

• 土壌排水のバルクEC（_σb）-土壌水分/温度/ECセンサーを根域より下に設置
• 土壌または無土壌基質のバルクEC（_σb）-根域に設置した土壌水分/温度/ECセンサー
• 土壌水分-体積含水率(θ)または誘電率(ε_b)
• 土壌の温度-水温の値は、土壌のEC測定値（_Tsoil）と関連付けられている。

G3 Drain Gauge およびCTD + DG（EC/温度/深度センサー）

と G3およびHYDROS 21+ DGは、根域より下に設置した場合、土壌排水の間隙水EC（σ_w,_ECdrain）を測定するために使用することができる。また、間隙水サンプラーを使用して間隙水EC（σ_w）を測定することもできる。

ES-2 温度とECセンサー

を使用することができます。 ES-2は、灌漑用パイプにインラインで設置した場合、灌漑用水のEC（σ_w、_ECirrig）を測定するために使用できます（これにはカスタム校正が必要です）。

雨量計

雨量計は雨の深さ（_Drain）を測定するのに使用できる。

バジャー・フローメーター

この装置は、灌漑されている総面積がわかっていれば、灌漑深度（_Dirrig）を決定するのに使用できる。

参考文献

Hamed, Yasser, Magnus Persson, and Ronny Berndtsson."Soil solution electrical conductivity measurements using different dielectric techniques.".Soil Science Society of America Journal67, no.4 (2003):1071-1078.(記事リンク)

Hilhorst, Max A."間隙水導電率センサー"Soil Science Society of America Journal64, no：1922-1925.(記事リンク)

Mualem, Y., and S. P. Friedman."飽和および不飽和土壌における電気伝導率の理論的予測".Water Resources Research27, no. 10 (1991)：2771-2777.(記事リンク)

Rhoades, J. D., P. A. C. Raats and R. J. Prather.「土壌のバルク電気伝導率に及ぼす液相電気伝導率、含水率および表面伝導率の影響。Soil Science Society of America Journal40 (1976)：651-655.

Rhoades, J. D., N. A. Manteghi, P. J. Shouse, and W. J. Alves.「土壌電気伝導率と土壌塩分：新しい定式化と検量線".米国土壌学会誌, no. 2 (1989)：433-439.(記事リンク)

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