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塩類の管理：なぜ注意しなければならないのか？

灌漑時に使用する水の塩類管理を誤ったために生産量が極端に減少するケースが散見されます。また、不適切な灌漑は水コストと灌漑に使用するエネルギーを増加させます。土壌の塩類バランスを理解し、溶出率、つまり根域の塩類濃度を許容範囲に保つために必要な灌漑水量を知ることは、灌漑管理を成功させるために重要です。しかし、土壌の塩類濃度のモニタリングについては、あまり理解されていないことが多いようです。

安定した高収量のためにECを測定する

以下のオンラインセミナーでは、世界的に有名な土壌物理学者であるGaylon Campbell博士が、土壌の電気伝導度（EC）測定の基礎と、測定のためのツールの使い方を教えています。このツールは、ほとんどの人が意識していないものの作物の収量と利益を維持するためには絶対不可欠なものです。

• 灌漑農業における塩類の発生源
• 塩類が植物に影響を与える仕組みとその理由
• 土壌中の塩類はどのように測定されるか
• 一般的な測定方法と土壌中の塩類量との関係
• 塩類は様々な植物種にどのような影響を与えるか
• 与えられた水質に対してどれだけの水を加えればよいかを知るために必要な計算方法

なぜECを測定するのか？

灌漑地は私たちの食糧供給の40%を占めており、そのうち約5分の1の土地で塩類が収穫量に影響を与えています。すべての灌漑用水には、少なくともある程度の塩類が含まれています。作物の根圏に塩類が蓄積すると、植物にダメージを与え、収穫量を減少させるだけでなく、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ます。灌漑地の生産性を維持するためには、塩類管理方法を理解することが重要です。

塩類管理の手順は以下の通りです。

• 土壌中の塩類濃度を測定する
• 灌漑による塩類加算量を把握する
• 灌漑中も継続的に監視し、塩類を管理する

これらの測定において鍵となるのは電気伝導度（EC）です。純水は電気を通しませんが、ほとんどの水には、たとえ水道水であっても、導電性を持つのに十分な量の塩類が溶解しています。水中の塩類濃度は導電率に直接影響を与えるため、電気伝導度の測定は土壌水中の塩類濃度を測定する非常に効果的な方法です。

塩と植物：何が問題なのか？

ほとんどの人は、おそらくはうっかりして肥料を与えすぎて、芝生やその他の植物を枯らしてしまったという経験があるでしょう。肥料が植物を「焼けさせた」とよく言われますが、一般的に、ダメージを与えるのは栄養素そのものではなく、多くの場合は水への影響です。植物は水を吸収しますが、塩分は目に見えるほど吸収しません。施肥や灌漑によって土壌に塩類が追加されると、その塩類は土壌に濃縮されます。塩類は植物にさまざまな問題を引き起こす可能性があります。たとえば、植物が目に見えるほどの量を吸収していなくても、Na+ が植物にとって有毒な濃度に達する場合があります。また、塩類は水を引き寄せるため、植物が土壌から水を吸収することを困難にします。一部の植物は、他の植物よりも土壌の塩類に対して敏感です。例えば、土壌飽和抽出ECが2 dS/mを超えると豆の収量に影響が出ますが、大麦は土壌飽和抽出ECが16 dS/mまでであれば収量の低下なく栽培できます。しかし、最終的には、高塩類はすべての植物に影響を与えます。

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表1.作物の塩類耐性

ECの共通単位

電気伝導度のSI単位はジーメンなので、電気伝導度の単位はS/mです。古い文献ではmho/cm（mhoはohmの逆数）という単位が使われています。土壌のECは一般的にmmho/cmで報告されていました。1mmho/cmは1 mS/cmに相当しますが、SIでは分母に小数を使用しないため、mmho/cmやmS/cmと数値的に等しいdS/m（デシジーメン・パー・メートル）に変更されました。

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

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つの方法があります。この3つはすべて関連していますが、一方を他方に変換するツールもあります。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す。

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、土壌の細孔内の水の電気伝導率です。研究者は、土壌ECセンサーの出力値を間隙水ECと間違えることがよくあります。間隙水の電気伝導率を現場で測定できれば理想的ですが、それがどのように機能するか想像してみてください。微小な水で満たされた細孔に、小さなセンサーを挿入する必要があります。当然のことながら、そのスケールで水のECを測定することは不可能です。実際、間隙水ECを測定する唯一の方法は、土壌水サンプルを採取し、そのサンプルのECを測定することです。

バルクEC

バルクEC（σb）は、土壌全体（土壌、水、空気）の電気伝導率です。土壌に設置された土壌水分センサーはすべてバルクECを測定します。実験式または理論式を用いて、測定されたバルクEC値から間隙水ECと飽和抽出液EC（σe）を算出できます。バルクECは、現場で継続的にモニタリングできる唯一のEC指標です。

飽和抽出物EC：伝統的な方法

飽和抽出EC（σe）は、土壌に含まれる塩分量を正確に示し、土壌塩分濃度に換算できます。これはECを測定する伝統的な方法です。土壌サンプルを採取し、土壌と脱イオン水を混ぜて飽和ペーストを作り、水分を抽出した後、抽出液のECを測定します。文献に記載されているEC値は、ほとんどの場合、飽和抽出ECです。

バルクECから間隙水ECへの変換

前述の通り、現場設置型センサーはセンサー周囲の土壌バルクの電気伝導率（σb）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、多くの研究が行われてきました。Hilhorst (2000) は、土壌バルク誘電率（εb）とσwの直線関係を利用し、εbが既知であればσbからσwへの変換を可能にしました。TEROS 12センサーは、同一の土壌体積においてεbとσbをほぼ同時に測定します。この方法に非常に適しています。間隙水の導電率は、以下の式で決定できます（導出についてはHilhorst, 2000を参照）。

ここで、σw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部（単位なし）、σbはバルク電気伝導率（dS/m）で、センサーによって直接測定されます。εbはバルク土壌の誘電率の実部（単位なし）、εσb=0はσb = 0のときの誘電率の実部（単位なし）。εw（式2）の値は80程度です。より正確な値は土壌温度から次のように計算できます。

ここで、Tsoil は、METER 土壌 EC センサーで一般的である、バルク EC 測定と同じ場所に設置された温度センサーによって測定された土壌温度 (ºC) です。

ε_bは、ほとんどの研究グレードの体積土壌水分センサーでも測定されます。

最後に、εσb=0は、EC=0のときの土壌の誘電率を緩く表すオフセット項です。Hilhorst (2000)は、一般的なオフセットとしてεσb=0= 4.1を使用することを推奨しています。Hilhorst (2000)は、個々の土壌タイプにおけるεσb=0を決定するための簡便な方法を提供しており、これによりほとんどの場合、σwの計算精度が向上します。

弊社の試験では、上記のσw算出法は、土壌およびその他の培地において、水分含量が高い場合（25%以上）にはかなり高い精度（± 20%）を示すことが示されています。水分含量が低下すると、式1の分母が小さくなり、計算に大きな誤差が生じる可能性があります。最良の結果を得るには、水分含量が高い場合はヒルホルスト式を用いて飽和抽出EC（σe）を求め、水分含量が低い場合（25%未満）の間隙水ECを計算することをお勧めします。この際、水分が除去されている間、塩分は土壌中に留まると仮定します（式3を参照）。この仮定を用いると、

ここで、θは土壌の体積土壌水分、θ_sは飽和土壌水分であ り、土壌の嵩比重から計算できます。

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）です。

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と表記されることが多い）は、土壌の飽和ペーストから採取した間隙水の電気伝導率です。土壌は蒸留水で湿らせ、飽和するまで湿らせます。その後、土壌を真空ロート内のろ紙の上に置き、吸引します。サンプルから採取した水の電気伝導率を測定することでσeが得られます。土壌のσeは、ほぼすべての塩分濃度の推奨事項で使用される値であり（例えば、Richards, 1954を参照）、したがって、重要な値です。間隙水のECから、次の式を用いて計算できます。

式1と4を組み合わせると

式6は、現場で塩分濃度を評価する上で最も有用な式であると考えられます。繰り返しますが、精度を最大限に高めるには、水分含有量が最も高いときにこの式を使用してください。

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を計算することは、ある単位系から別の単位系に変換することとは異なり、実際にはモデルです。そして、モデルには様々な種類があります。経験的なモデルもあれば理論的なモデルもありますが、それぞれに長所と短所があります。ここではHilhorstモデルを紹介しましたが、RhodesモデルやMualem-Friedmanモデルなど、他にもよく使われるモデルがあります。

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一つは、活発に生育する植物の根圏における塩分濃度を最小限に抑えることです。根圏のECが高くなりすぎる場合、栽培者は灌漑用水を追加することで、根圏より下の塩分を洗い流すことができます。下の図は、飽和抽出液のEC値が相対的にどのように比較されるかを示しています。明るい色は飽和抽出液のECが低いことを示し、暗い色は飽和抽出液のECが高いことを示します。

応用2：浸出割合の計算

浸出率 (LF) は、根域の底から排出される水の深さ (Ddrain) を、土壌プロファイルに（灌漑と降雨を通じて）適用された水の深さ (Dapplied) で割ったものとして定義されます。

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します。

例えば、液体灌漑用水の EC が 0.3 dS/m で、根域を通過して排出される水の EC が 3 dS/m 以下である場合、灌漑業者は、散布した水の 10 分の 1 をプロファイルに流す必要があります。

しかし、これらはすべて、排水量（根圏底部からどれだけの水が排出されるか）が正確に測定されていることを前提としています。実際には、これを測定するのは非常に困難です。革新的な方法として、浸出率の式を逆にし、排水水のECを用いて深部排水量を計算する方法があります。排水水のECは、根圏下部にプローブを設置することで測定できます。

式を変形すると、排水深は、施用した水の深度に、施用した水（降水および灌漑）の EC を掛け、排水の EC で割った値に等しくなります。

ほとんどの地域では、塩分を含まない雨が全体の塩分収支に大きな役割を果たします。雨水のEC（ECapplied）を雨水の寄与に合わせて調整する良い方法は、灌漑用水のECに灌漑深を掛け、雨水深と灌漑深を加えた値で割ることです。

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%です。排水によって失われた水の総量は2.5cmとなります。

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を示しています。しかし、肥料はどこにあるのか？土壌水分値からは、栄養素の浸出や排水は確認できません。

図3は、GS3のバルクECと体積水分含有量の測定値を用いて、同じ3つの深度における間隙水ECを計算したものです。肥料は一時的に根圏に留まりますが、根圏から排出される水とともに浸出していることに注目してください。どちらの図もStirzaker (2010)より引用したものです。

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ます。

• 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-体積土壌水分(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）

G3およびHYDROS 21 + DGは、根圏下に設置することで、土壌排水水の間隙水EC（σw,ECdrain）を測定することができます。また、間隙水サンプラーを用いて間隙水EC（σw）を測定することもできます。

ES-2 温度とECセンサー

ES-2 は、灌漑パイプにインラインで設置すると、灌漑用水の EC (σw、ECirrig) を測定するために使用できます (カスタム キャリブレーションが必要です)。

雨量計

雨量計は雨の深さ（_Drain）を測定するのに使用できます。

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ます。

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、土壌水分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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