研究者のための土壌水分完全ガイドMETER Group

環境測定キャンペーンに乗り出す大学院生であれ、経験豊富な研究者であれ、灌漑管理に悩む生産者であれ、おそらくどこかの時点で土壌水分を測定する必要があることに気づいたはずだ。なぜか？なぜなら、水の利用可能性は生態系の生産性を左右する主な要因の1つであり、土壌水分（すなわち、土壌含水量／土壌水ポテンシャル）はほとんどの植物にとって直接的な水源だからである。土壌水分とは何か？以下では、土壌水分の測定に関する包括的な考察と、土壌水分とともに使用されるいくつかの重要な科学用語について説明する。

土壌の水分とは何を意味するのか？

土壌水分とは、単に土壌中の水分量を知る以上のものである。測定方法を決める前に、知っておくべき基本原則がある。ここでは、実際に何を調べようとしているのかに焦点を絞るのに役立つ質問をいくつか紹介する。

これらの質問のどれに興味を持つかによって、土壌水分の意味はまったく違ってくる。

測定すべき変数を知る

ほとんどの人は、土壌水分を土壌含水量という1つの変数だけで見ている。しかし、土壌中の水の状態を表すには、水の量である含水量と、水のエネルギー状態である水ポテンシャルという2種類の変数が必要である。

土壌含水率は広範囲に及ぶ変数である。大きさや状況によって変化する。総単位体積または質量あたりの水分量として定義される。基本的には、そこにどれだけの水があるかということだ。

水ポテンシャルは、物質やエネルギーの強度や質を表す"集約的 "な変数である。よく温度と比較される。温度が人間の快適度を示すように、水ポテンシャルは植物の快適度を示すことができる。水ポテンシャルとは、ゼロポテンシャルの純水を基準とした、水の1モル（単位質量、体積、重量）あたりの位置エネルギーのことである。水ポテンシャルを、土壌から少量の水を取り除き、純粋な自由水のプールに沈殿させるのに必要な仕事として見ることができる。

土壌水分量：量にすぎない

この記事では、土壌含水量を測定する2つの異なる方法、すなわち重量含水量と容積含水量について簡単に説明する。

重量含水率とは、土壌の質量あたりの水の質量（すなわち、土壌1gあたりの水のグラム数）である。質量を測定することで土壌水分量を直接測定できるため、土壌水分量を測定するための主要な方法である。圃場から採取した湿った土壌の重量を測定し、オーブンで乾燥させた後、乾燥した土壌の重量を測定することで算出される。

したがって、重量含水率は、湿潤土質量から乾燥土質量を差し引いた値を乾燥土質量で割った値に等しい。言い換えれば、水の質量を土壌の質量で割ったものである。

容積基準含水率は、容積基準で報告されることを除けば、重量基準含水率と同じことを表している。

例えば、既知の体積の土壌の成分を図1に示す。すべての成分の合計は100%である。体積含水率（VWC）は、水の体積を土壌全体の体積で割ったものであるため、この場合、VWCは35%となる。VWCは、cm3^/cm3またはインチ/フィートとして報告されることもある。

重量測定とVWC：かさ密度による連動

重量含水率（w）は、土壌の乾燥嵩比重（⍴）を乗じることで、体積含水率（ϴ）に変換できる。_bを乗じて体積含水率に換算することができる（式 3）。

重量含水率は、土壌中の水分量を測定する第一原理（または直接）の方法であるため、原位置または遠隔のいずれかで感知されるほとんどすべてのVWC測定の検量線を開発し、測定値を検証するために使用される。誘電センサーがあれば、電磁場で読み取った値を土壌水分量に変換する何らかの関係があります。したがって、体積含水率が正しいかどうか確信が持てない場合は、土壌をサンプリングして重量含水率を測定し、嵩比重サンプルを採取して、自分で確認してください。

土壌水分101を見る

土壌水分とは、単に土壌中の水分量を知る以上のものである。測定方法を決める前に知っておくべき基本原則を学びましょう。この20分間のウェビナーでは、以下のことを学びます：

体積含水率の測定方法

ほとんどの体積含水率測定は、何らかのセンサーを使用して行われます。METERの含水量センサーは静電容量技術を使用しています。この測定を行うために、これらのセンサーは水の「極性」を利用します。どのように機能するのか？

図2は水分子を示している。上部には酸素原子のマイナス極があり、下部には2つの水素原子のプラス極がある。土の中に電磁場（図3）を導入すると、この水分子は注目する。もし電磁場が逆だったら、逆に踊るだろう。このように、水分センサーで電磁場を作ることで、その電磁場に対する水の影響を測定することができる。土壌中の水分が多ければ、その影響は大きくなる。キャパシタンス技術について詳しくはこちら

なぜセンサーで土壌水分量を測定するのか？

土壌水分センサーを使用することで、土壌で何が起きているのかを理解するための強力なツールである時系列データ（図4）の可能性が広がる。重量含水率の測定には、サンプルまたは一連のサンプルを採取し、ラボに持ち帰る必要がある。時系列が必要な場合、基本的にフィールドで常時サンプリングすることになるため、これは非現実的である。

水分センサーを使えば、土壌水分の変化のタイミングを自動的に測定し、プロファイルの深さを比較することができる。また、これらの曲線の形状から、土壌中の水分に何が起こっているかについての重要な情報を得ることができる。

表1は、さまざまな土壌センシング法を比較したものである。

重量含水率	VWCセンサー	リモートセンシング（SMOS）
第一原理／直接法	時系列に便利	限られたスケールでの時系列処理が可能
時間がかかる	経時的なプロファイル検知を可能にする	空間サンプリングに威力を発揮
破壊的	押しつけがましさが少ない
スナップショットは1回のみ

重量法含水比は、第一原理としては優れた測定法であるが、時間がかかり、破壊的であり、時間的なスナップショットしか得られない。土壌水分センサーは時系列を提供し、経時的なプロファイル・センシングを可能にし、破壊的なサンプリングを避けることができるが、センサーを土壌に挿入することに変わりはない。リモートセンシングは限られたスケールで時系列を提供しますが、水分量の測定に重要な空間サンプリングには非常に強力です。METER土壌水分センサーは、現場の撹乱を最小限に抑えるように設計された専用の設置ツールで撹乱を低減します（ビデオでその仕組みをご覧ください）。

土壌水分を見る：設置がすべてである理由と正しい方法

正確な土壌水分データを得たいのであれば、センサーの正しい設置が最優先事項です。土壌で測定する場合、密度の自然な変動により2～3%の精度損失が生じる可能性がありますが、設置不良は10%以上の精度損失を引き起こす可能性があります。設置不良は土壌水分データの誤差の最も一般的な原因ですが、毎回完璧な設置を保証するテクニックがあります。センサー設置の専門家であるクリス・チェンバース氏が、土壌水分センサーの設置をよりスマートにする理由とその方法を説明します。
学ぶ：

飽和：それはあなたが考えているようなものではない

体積含水率でいえば、オーブン乾燥した土壌は、定義上VWC0％である。これは1つの定義された終点である。純水は100％である。多くの人は、100％VWCが完全に飽和した土壌であると考えているが、そうではない。各土壌タイプは、異なる含水率で飽和する。

任意の土壌タイプの空隙率を知っていれば、飽和時の含水量を概算することが可能である。しかし、土壌が現場で飽和に達することはめったにない。なぜか？

図5を見ると、土が水を吸着する際に、土の粒子にまとわりつく水膜ができるのがわかる。また、空気を含んだ間隙もある。圃場条件下では、こうした空隙をなくすことは難しい。飽和パーセンテージが、どのようなタイプの土でも理論的な飽和の最大値と等しくなることはめったにないのは、この空気の封入のためである。

水ポテンシャルとは何か？

水ポテンシャルは、土壌水分を説明するために使用されるもう1つの変数である。前述したように、これは土壌のエネルギー状態、または電位ゼロの純水を基準とした水1モルあたりの位置エネルギーとして定義される。これは何を意味するのだろうか。この原理を理解するために、土壌サンプル中の水をコップ中の水と比較してみよう。コップの中の水は比較的自由で利用可能であるが、土壌中の水は表面に結合しており、溶質によって希釈される可能性があり、さらに圧力下でも希釈される可能性がある。その結果、土壌の水は「自由な」水とは異なるエネルギー状態を持っている。自由水は、エネルギーを行使することなくアクセスすることができる。土壌水は、保持されているエネルギーと同等かそれ以上のエネルギーを消費することによってのみ抽出することができる。水ポテンシャルは、土壌試料から水を引き抜くためにどれだけのエネルギーを消費する必要があるかを表している。

水ポテンシャルは、重力ポテンシャル＋マトリックポテンシャル＋圧力ポテンシャル＋浸透ポテンシャルという4つの異なる要素の合計である（式4）。

マトリックポテンシャルは、土壌表面に付着している水に関係するため、土壌に関する限り最も重要な成分である。図6では、マトリックポテンシャルが土壌粒子に付着した水膜を形成している。土壌から水が排出されるにつれて、空気で満たされた間隙は大きくなり、マトリックポテンシャルが低下するにつれて、水は土壌粒子により強固に結合するようになる。下のビデオで、マトリックポテンシャルの動きをご覧ください。

水ポテンシャル勾配は、土壌中の水の流れの原動力である。そして、土壌の水ポテンシャルは、植物が利用可能な水を示す最良の指標である（その理由はこちら）。含水量と同様に、水ポテンシャルもラボと圃場の両方でセンサを用いて測定することができる。以下に、様々なタイプの圃場用水ポテンシャル・センサの例をいくつか挙げる。

水ポテンシャルは水の動きを予測する

水は、図6に示されるように、平衡に達するまで、エネルギーの高い場所から低い場所へと移動する。例えば、土壌の水ポテンシャルが-50 kPaの場合、水はより安定するために、より負の-100 kPaに向かって移動する。

これは、植物の土壌大気の連続体で起こることとも近似している。図7では、土壌は-0.3 MPaで、根は-0.5 MPaとわずかに負圧になっている。これは、根が土壌から水を引き上げることを意味する。そして水は木部を通って上昇し、この電位差を越えて葉から出ていく。そして、-100MPaにある大気が、この勾配を動かしているのだ。つまり、水ポテンシャルが、システムが水をどの方向に移動させるかを決定しているのだ。

植物が利用できる水とは？

植物が利用可能な水分とは、土壌または培地の圃場容積と永久萎凋点との間の含水量の差である（以下の定義を参照）。ほとんどの作物は、土壌が永久萎凋点近くまで乾燥すると、収量が大幅に減少する。作物の収量を最大化するためには、土壌含水量を永久萎凋点よりもかなり高く維持するのが一般的であるが、植物利用可能水分は、土壌中の貯水層の大きさを示すものであるため、依然として有用な概念である。土壌の種類に関する基本的な知識があれば、圃場容積と永久萎凋点は、原位置 土壌水分センサーによる測定値から推定することができる。これらのセンサーは連続的な土壌水分量データを提供し、作物の収量と水利用効率を高めるための灌漑管理決定を導くことができる。

フィールド・キャパシティとは何か？

圃場容水量とは、「水で濡らしてから2～3日後、自由排水が無視できる程度になった後に、土壌中に残っている質量または体積基準の水の含有量」と定義されている。土壌科学用語集。Soil Science Society of America, 1997.これは，細粒土壌では-33 kPa，砂質土壌では-10 kPaの水ポテンシャルにおける含水量と仮定されることが多いが，これは粗い出発点に過ぎない。実際の圃場容積は，土壌プロフィールの特性に依存する。実際の圃場容積は、圃場でモニターされた含水量データから決定されなければならない。圃場容積のデータを見ているのであれば、そのポイントがどのように決定されたかを知っておくとよい。

一般に、圃場容積は水ポテンシャルの観点から規定されることが多いが、実際には流動特性であることを理解することが重要である。水は、重力ポテンシャル勾配の影響を受けながら、土壌地層を下降していく。水は永久に下降し続けるが、土壌が乾くにつれて透水係数は急速に低下し、最終的に下降流は蒸発や蒸散の損失に比べて小さくなる。土壌を水漏れしたバケツのように考えてみよう。植物は、水が根域を伝って下へ下へと移動するときに、水の一部をつかもうとしているのである。

永久凋落点とは？

その対極にあるのが永久萎凋点である。永久萎凋点はヒマワリで実験的に決定され、-15バール（-1500kPa、Briggs and Shantz, 1912, p.9）と定義された。これは、ヒマワリがしおれ、一晩たっても回復しない土壌電位である。理論的には空のタンクであり、完全にツボ圧が失われ、植物がしおれた状態である。しかし、-1500kPaがすべての植物の萎凋点とは限らない。ある植物は-1500kPaよりずっと早く、またある植物は-1500kPaよりかなり後に、永久的なダメージから身を守り始める。ある植物は-1500kPaよりずっと早く、ある植物は-1500kPaよりずっと後に、自らを永久的なダメージから守り始めます。ですから、-1500kPaは土壌中の有用な基準点ですが、サボテンはおそらく-1500kPaを気にしないでしょうし、ポンデローサ松は間違いなくその時点ではシャットダウンしませんので注意してください。つまり、植物や作物によって意味が異なるということだ（続きを読む：M.B.カーカムPrinciples of Soil and Plant Water Relations, 2005, Elsevier）。

METERを使えば、土壌の永久萎凋点を素早く簡単に測定することができます。 WP4C.

土壌タイプ：あなたが見るレンズ

水分含有量について意味のある結論を出すには、土壌のタイプについて知っておく必要がある。

図8は、砂から粘土まで、最も一般的なテクスチャー・クラスのチャートである。どのテクスチャーも粒度分布が異なる。表2は、-1500kPa（永久萎凋点）において、それぞれのテクスチャーのクラスが異なる含水率を持つことを示している。そして、それは圃場容積についても同じである。

テクスチャー	FC (v%)	PWP (v%)
砂	5	1
ロームサンド	10	2
砂質ローム	17	6
砂質粘土ローム	32	19
ローム	27	14
サンディ・クレイ	38	28
シルトローム	27	13
シルト	24	10
粘土ローム	36	23
シルトリー・クレイ・ローム	36	22
シルト質粘土	40	28
クレイ	42	32

表 2.土壌テクスチャーの違いによる代表的な圃場容量と永久枯凋点

興味深いことに、砂質埴壌土の場合、圃場容積で32％のVWCを示すことがある（これは十分に水分のある土壌である）が、埴壌土の場合、32％のVWCは恒久的な萎凋点である。つまり、センサーを設置する際には土壌サンプルを採取し、土壌の質感と土壌で起こっていることを確実に把握する必要がある。これは、土壌のタイプに変化がある場合に特に重要である。すなわち、土壌プロファイルの変化や、場所ごとの空間的な変動である。なお、水ポテンシャルは状況によって変化するものではない。これらすべての土質について、-33 kPaは、粘土であろうと砂であろうと-33 kPaである。中質土の一種であるシルトローム土の-33 kPa含水比は27％であり、-1500 kPa含水比は13％である。一般的な嵩比重の場合、間隙率は約50％である。これが満たされると、土は飽和状態になる。したがって、飽和状態からスタートすると、（圃場容積を-33kPaと仮定すると）圃場容積に達するまでに半分の水が排出されることになる。残された水の約半分は、植物が利用できる水である。植物ができる限りの水を取り出した後、植物が利用できる水とほぼ同量の水がまだ土壌に残っているが、植物が除去することはできない。

は PARIOは、あらゆる土壌の土質と粒度分布を自動的に判定する装置です。

土壌保水曲線

水ポテンシャルと体積含水率の間には、土壌保水曲線（放水曲線または土壌水分特性曲線と呼ばれることもある）を用いて説明できる関係がある。図9に、3つの異なる土壌の曲線例を示す。X軸は対数目盛の水ポテンシャルで、Y軸は体積含水率である。土壌保水曲線は物理的な指紋のようなもので、各土壌に固有のものである。これは、水ポテンシャルと土壌含水比の関係が土壌ごとに異なるためである。この関係を利用すれば、異なる土壌が曲線上のどこでどのような挙動を示すかを知ることができる。例えば、水は土壌から速やかに排出されるのか、それとも根域に保持されるのか、といった重要な疑問に答えることができる。土壌保水曲線は、植物の水分吸収、深い排水、流出などを予測するための強力なツールである。土壌保水曲線がどのように機能するかについては、こちらをご覧ください。

は HYPROPは、湿潤域の土壌保水曲線を自動的に作成する装置である。HYPROP 、土壌水分の全範囲にわたって保水曲線を作成することができます。 WP4C.

土壌水分：必要なのは水分量か水ポテンシャルか？

土壌水分測定キャンペーンに着手する前に、以下の質問を自問してください：

土壌にどれだけの水が蓄えられているかを知るだけでよいのであれば、土壌含水率に注目すべきである。水がどこへ移動するのかを知りたければ、水ポテンシャルを測定するのが適切である。植物が水を得ることができるかどうかを知るには、水ポテンシャルを測定する必要がある。

詳しくは記事をご覧ください：「土壌水分が知りたいことをすべて教えてくれるわけではありません。しかし、水やりのタイミングや、植物のためにどれだけの水が土壌に蓄えられているかを知りたいのであれば、おそらく含水量と水ポテンシャルの両方が必要でしょう。土の中に物理的にどれだけの水があるのかを知る必要があり、どの時点で植物が水を得ることができなくなるのかを知る必要があるからだ。この仕組みの詳細については、記事をご覧ください：「水やりのタイミング：二重測定が謎を解く」。

リソース土壌水分とは何か？

カーカム，メアリー・ベス土壌と植物の水関係の原理。Academic Press, 2014.

Taylor, Sterling A., and Gaylen L. Ashcroft.物理的土壌学。灌漑土壌と非灌漑土壌の物理学。1972.

Dane, Jacob H., G. C. Topp, and Gaylon S. Campbell.土壌分析物理的方法。No. 631.41 S63/4.2002.

どの水分センサー方式がお客様のアプリケーションに適していますか？

土壌水分センサーの違いを理解することは、混乱を招く可能性があります。以下の2つのチャートは、最も一般的な土壌水分センシング方法、それぞれの長所と短所、そしてそれぞれの方法がどのような状況で役に立つかを比較しています。METERの土壌水分センサーはすべて高周波キャパシタンスセンシング技術と取り付け工具を使用しており、取り付けが簡単で、可能な限り高い精度を保証します。各測定方法の詳細については、土壌水分102ウェビナーをご覧ください。

土壌水分センサーの種類

センサー	長所	短所	いつ使うか
抵抗プローブ	1.データロガーで連続測定が可能 2.低価格 3.低消費電力	1.精度が悪い：土壌の種類や土壌の塩分含有量によって校正が変化する。 2.センサーの経年劣化	1.水分量の変化を知りたいだけで、精度にこだわらない場合。
TDRプローブ (タイムドメイン）	1.データロガーで連続測定が可能 2.土壌ごとの較正で正確（2～3％）。 3.信号が消えるまで塩分濃度の影響を受けない。 4.レビュアーからの評価	1.キャパシタンス* よりも使い方が複雑 2.穴ではなく溝を掘る必要があるため、設置に時間がかかる。 3.塩分濃度が高いと作動しない。 4.消費電力が大きい（大型充電式バッテリー）	1.ラボがすでにシステムを所有している場合。キャパシタンスよりも高価で複雑であり、TDRもキャパシタンスも校正によって同等の精度が得られるという研究結果もある。
静電容量センサー	1.データロガーで連続測定が可能 2.設置が簡単なタイプもある 3.土壌別の較正で正確（2～3％）。 4.消費電力が少ない（小型バッテリー、ソーラーパネルはほとんど使わない） 5.安価なため、多くの測定値を得ることができる。	1.高塩分（飽和エキス8dS/m以上）で不正確になる** 。 2.一部の低品質ブランドは精度、性能が悪い。	1.多くの測定場所が必要 2.導入とメンテナンスが簡単なシステムが必要 3.低消費電力が必要 4.1ドルあたりの測定回数が多いこと
中性子プローブ	1.大容量の測定 2.塩分濃度の影響を受けにくい 3.最も長い歴史を持つ方法であるため、レビュワーから尊敬されている。 4.土壌とセンサーの接触問題の影響を受けない	1.高価 2.運転に放射線証明書が必要 3.非常に時間がかかる 4.連続測定ができない	1.すでに中性子プローブをプログラムに組み込んでいて、認証を受けており、中性子プローブデータの解釈方法を知っている。 2.接触維持が問題となる高塩分または膨潤収縮粘土土壌を測定している。
コスモス	1.極めて大きな影響力（800m） 2.自動化 3.広域の変動を平滑化するため、衛星データのグランドトゥルーチングに有効。 4.土壌とセンサーの接触問題の影響を受けない	1.最も高価 2.測定量の定義が不十分で、土壌水分量によって変化する。 3.植生などの交絡要因によって精度が制限される場合がある。	1.広い範囲の含水率の平均を求める必要がある場合 2.衛星データの地上検証を行う場合

*アクリマとキャンベル・サイエンティフィックは、オンボード測定回路を持つTDRセンサー/プロファイル・プローブを製造しており、ほとんどのTDRシステムが直面する複雑さという課題を克服している。
**測定周波数に依存し、周波数が高いほど感度は低くなる。

センサーの利点の比較

*一部の低品質ブランドは精度が低く、性能も低い。TDRとキャパシタンスセンサーの両方で精度を脅かす最大の要因は、設置不良によるエアギャップであり、次に土壌中の粘土活性（スメクタイト粘土など）、次に塩分である。

最新の土壌水分センサー

	抵抗	TDR	キャパシタンス	中性子プローブ	コスモス
価格	最低	中～高	低～中程度	高い	最高
精度	低い	高い (土壌別較正あり)	高い (土壌別較正あり)	低い（フィールド校正で改善）	不明
複雑さ	簡単	初級～中級	簡単	難しい	難しい
電力使用	低い	中～高	低い	該当なし	高い
塩分感受性	エクストリーム	1.塩分濃度が低～中程度ではなし 2.高塩分ではあり	塩分濃度が高い場合はあり	いいえ	いいえ
耐久性	低い	高い	高い	高い	高い
影響力の大きさ	プローブAとプローブBの間の小さなエリア	0.25リットル～2リットル（プローブの長さと電磁場の形状による	0.25リットル～2リットル（プローブの長さと電磁場の形状による	土壌が湿っているときは直径20cmの球体、土壌が乾いているときは直径40cmの球体	直径800メートル

TEROS TEROS 土壌水分センサーは、設置ツールによる一貫した完璧な設置、極めて堅牢な構造、センサー間のばらつきの最小化、影響力の大きさ、高度なデータロギングを組み合わせ、最高の性能、精度、使いやすさ、信頼性をお求めやすい価格で提供します。

もっと詳しく知りたいですか？以下のウェビナーでは、土壌水分の専門家であるレオ・リベラが、当社が20年かけて新しいTEROS センサーラインを開発した理由を説明しています。

現場センサーの精度を高めるには

より高い精度を得るためには、土壌に特化した校正をご検討ください。METERの土壌水分センサは、土壌の誘電率を測定することによって土壌の体積含水率を測定します。しかし、すべての土壌が同一の電気的特性を持っているわけではありません。土壌の嵩密度、鉱物学、テクスチャー、塩分濃度のばらつきにより、現在のMETERセンサーの一般的な鉱物校正では、ほとんどの鉱物土壌で約±3～4%の精度、無土壌生育基盤（鉢植え用土、ストーンウール、ココエアなど）では約±5%の精度となります。しかし、土壌固有の校正を行うことで、精度は土壌と土のない基質に対して±1～2%に向上します。METERは、土壌水分センサーのユーザーに対し、体積含水率測定で最高の精度を得るために、土壌固有の校正を実施するか、当社の土壌固有の校正サービス（）を利用することを推奨しています。

*現場条件が通常温暖で湿潤な場合は、TEROS のような長寿命センサーを選択する。

土壌水分センサーは何台必要ですか？

	TEROS 12	TEROS 11	TEROS 10	EC-5	10HS
対策	体積含水率、温度、電気伝導率	体積含水率、温度	体積含水率	体積含水率	体積含水率
影響力の大きさ	1010 mL	1010 mL	430 mL	240 mL	1320 mL
測定出力	デジタルSDI-12	デジタルSDI-12	アナログ	アナログ	アナログ
フィールド寿命	10年以上	10年以上	10年以上	3～5年	3～5年
耐久性	最高	最高	最高	中程度	中程度
インストール	高精度の取り付けツール	高精度の取り付けツール	高精度の取り付けツール	手で取り付ける	手で取り付ける

調査現場に設置される土壌水分センサーの数は、仮説を証明するか、完全に外すかの分かれ目になる。何台のセンサーを設置すれば、最も完全な土壌水分画像が得られるのでしょうか？すべてのシナリオをとらえる単一の答えはありません。研究目的、精度要件、規模、およびサイト固有の特性はすべて、必要なセンサーの数に影響します。さらに、土壌水分は空間的にも時間的にも変動します。この変動の原動力を理解することで、研究者はどのようにサンプリングを行うべきかについての洞察を得ることができる。

変動性を理解するのは難しい

調査地の範囲内では、土壌の質感、植生被覆の量と種類、地形、降水量やその他の気象要因、管理方法、土壌の透水特性（土壌内を水が移動する速さ）の違いから、土壌水分のばらつきが生じる。研究者は、土壌水分の多様性を把握するために必要なサンプル地点の数を知るために、ランドスケープの特徴のばらつきを考慮すべきである。

土壌水分量は、降水、干ばつ、灌漑、蒸発散によって変化し、季節的な天候や植生の多様性に関連した予測可能なパターンで、時間とともに変化することもある（Wilson et al.）これは把握しやすい概念であるが、時間的・空間的ダイナミクスの相互作用から生じる変動性を考慮すると、より複雑になる。

土壌水分データはしばしば仮定を覆す

以下の例では、シミュレートしたデータを用いて、土壌水分量に対する空間的・時間的差異の影響を説明する。最初の例では、同じ調査地点の土壌水分量を湿潤条件下と乾燥条件下でシミュレートし、確率密度関数（PDF）を計算した。この例は、土壌水分PDFを記述するパラメータが静的なものではなく、土壌水分条件によって時間と共に変化することを示している。

2つ目の例では、土壌水分量は、条件が湿潤でも乾燥でもない1つの時点についてシミュレートされている。その結果得られたPDFは、調査地内の土壌水分量の「集団」が複数存在することを示している（図11）。これにはいくつかの要因が考えられる。土壌の質感が異なる地域があること（例えば、より乾燥した砂質地域と、より湿潤なシルトローム地域）、調査地域が低地の地形と隣接する丘陵斜面を含むこと、または調査地域の植生被覆の種類が異なることなどが考えられる。

上記の2つの単純な例は、時間と空間にわたる土壌水分の複雑な性質を示している。どちらの例も、圃場条件下で土壌水分量を扱う場合、正規性の仮定が常に有効とは限らないことを示唆している（Broccaら、2007；Vereeckenら、2014）。

土壌水分センサーの数は？場合によります。

調査地域の「真の」平均土壌水分量を決定することを目的とする場合、サンプリング計画は、上述の変動源を考慮する必要がある。調査地に丘陵地や谷があり、多様な種類の樹冠被覆があり、降水量の季節変動がある場合、センサーは不均質性の主な原因を示す地域に配置すべきである。その代わりに、調査地がかなり均質である場合や、研究者が土壌水分量の時間的パターンにしか関心がない場合（灌漑スケジューリングのためなど）には、データの時間的自己相関のため、土壌水分センサーの数が少なくて済む可能性がある（Brocca et al.）

その場での連続測定により、土壌水分量の優れた理解が得られる

土壌含水量は、時間的にも空間的にも非常に動的である。スポット・サンプリングでこうした動態をすべて把握するのは労力がかかり、困難であるが、この方法を選択する研究者もいる。環境科学の他の多くの分野と同様に、土壌水分の挙動に関する最も深い洞察のいくつかは、原位置センサーのネットワークを使用した研究から生まれつつある（Bogena et al.）ほとんどの用途において、原位置での連続測定は、土壌水分に関する優れた理解を提供する。

このトピックに関するより詳細な説明は、以下の記事を参照されたい。

参考文献

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Brocca, L., F. Melone, T. Moramarco, and R. Morbidelli."土壌水分の時空間変動とスケールを超えたその推定".Water Resources Research 46, no.2 (2010).記事リンク

Brocca, L., R. Morbidelli, F. Melone, and T. Moramarco."イタリア中部の実験地域における土壌水分の空間変動性".Journal of Hydrology 333, no：356-373.記事のリンク

Bogena, H. R., M. Herbst, J. A. Huisman, U. Rosenbaum, A. Weuthen, and H. Vereecken."Potential of wireless sensor networks for measuring soil water content variability.".Vadose Zone Journal 9, no.4 (2010):1002-1013.記事リンク（オープンアクセス）。

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どのセンサーの取り付け方法がベストですか？

水の補給と利用のパターンは、土壌プロフィールの深さにわたる土壌水分の大きな空間的変動をもたらす。したがって、土壌水分量の正確な測定は、あらゆる水収支調査の基礎となる。正確にモニタリングされた場合、プロファイルの測定値は、水の使用率、深部浸透量、および植物が使用するために貯蔵された水の量を示す。

測定エラーを避けるには

高品質の体積含水率測定を行うための一般的な課題は3つある：

すべての誘電体プローブは、プローブ表面で最も感度が高くなります。プローブと土壌の接触が失われたり、プローブ表面で土壌が圧縮されたりすると、大きな測定誤差が生じます。また、表面に水が溜まったり、プローブ設置穴の下を優先経路で流れることも、大きな測定誤差の原因となります。

土壌水分センサーの設置には、必ず多少の掘削が伴います。土壌を可能な限り攪乱することなく、プロファイルを正確にサンプリングするにはどうすればよいのだろうか。 5つの異なるプロファイルサンプリング戦略の長所と短所を検討する。

市販のプロファイル・プローブでは、偏流が一般的な問題です。

プロファイルプローブは、プロファイル水分量測定のためのワンストップソリューションです。1つの孔に1つのプローブを設置するだけで、多くの深度で測定値を得ることができる。プロファイル・プローブはうまく機能しますが、適切な設置が難しく、公差が厳しい場合があります。プローブの表面全体が確実に接触するように、1つの深い穴を正確に開けるのは難しい。接触を改善するために埋め戻すと、再梱包や測定誤差の原因となる。また、プロファイル・プローブは、アクセス・チューブの長い表面を流れる偏流の影響を特に受けやすい。 (注：新しい TEROS Borehole Installation Toolは、偏流をなくし、現場の撹乱を減らすと同時に、選択した深さにセンサーを設置することができます)。

トレンチの設置は手間がかかる

トレンチの側壁を通して異なる深さにセンサーを設置するのは簡単で正確な方法だが、実際にトレンチを掘るのは大変な作業だ。この方法では、パッキンや優先的な水流の問題がなく、乱されていない土壌にプローブを設置することができる。しかし、掘削を伴うため、通常、他の理由でトレンチを掘る場合か、土壌が石だらけか砂利だらけで他の方法が使えない場合にのみ使用される。掘削した部分は、過度のエッジ効果を避けるため、元の土とほぼ同じ密度になるように埋めて詰め直す必要がある。

オーガーによるサイドウォールの設置は、より少ない作業で済む

単一のオーガー孔の側壁を通してプローブを設置する方法は、重機なしでトレンチ法の利点の多くを備えている。この方法は、Bogenaらによって EC-5プローブを用いた。彼らは複数の深さに同時にプローブを設置する装置を作った。トレンチ法と同様、エッジ効果を避けるため、穴はサンプリング前の密度程度に充填・再充填する必要がある。

掘削されたボーリング孔は土壌層を破壊するが、現場への相対的な影響の大きさは、トレンチ設置の場合の数分の一である。トレンチの長さは60～90cm、幅は40cm程度である。小型のハンドオーガーを使って行うボアホール掘削と TEROS Borehole Installation Tool直径わずか10cmの穴が開くだけで、その面積はトレンチのわずか2～3％である。攪乱の規模が最小化されるため、攪乱されるマクロ孔、根、植物が少なくなり、自然状態に早く戻ることができる。さらに、小さなボーリング孔内で設置ツールを使用する場合、土壌とセンサーの良好な接触が確保され、分離する土壌が少ないため、水平層を分離し、正しい土壌密度に再梱包するのがはるかに容易です。

複数穴の設置で故障を防ぐ

深さごとに別のアクセスホールを掘ることで、各プローブがそれぞれのホールの底の乱されていない土壌に確実に設置される。すべての方法と同様に、再充填されたオーガーの穴に優先的に水が流れ込まないように注意するが、1つの穴ですべての測定が行われた場合のように、1つの穴で失敗してもすべてのデータが危険にさらされることはない。

この方法の主な欠点は、プロファイルの深さごとに穴を掘らなければならないことである。しかし穴は小さいので、通常は簡単に掘ることができる。

シングルホールの設置は最も望ましくない

1つの穴を掘削し、底部に1つのセンサーを取り付け、その後穴を詰め直し、詰め直した土壌にセンサーを所望の深さまで取り付けながら進むことで、プロファイルの水分を測定することは可能である。しかし，再梱包された土壌は，攪乱されていない状態とは異なる嵩密度を持つ可能性があり，また，土壌が掘削，混合，再梱包されるにつれてプロファイルが完全に変化しているため，これは論じた方法の中で最も望ましくない。それでも、単孔施工は目的によってはまったく満足のいくものである。設置場所が周囲の土壌と平衡になるようにし、根が土壌に伸びるようにすれば、撹乱された土壌の相対的な変化は、周囲の土壌の相対的な変化と同じになるはずである。

参考

Bogena, H. R., A. Weuthen, U. Rosenbaum, J. A. Huisman, and H. Vereecken."SoilNet-Zigbeeベースの土壌水分センサーネットワーク".InAGU Fall Meeting Abstracts.2007.記事のリンク

その他の設置に関するアドバイス

以下のビデオでは、センサー設置の専門家であるクリス・チェンバースが、よりスマートな土壌水分センサーの設置が必要な理由とその方法について説明しています。学ぶ：

サイト妨害がデータに与える5つの影響とその対策

土壌水分を測定する場合、現場の撹乱は避けられない。私たちは、現場の土壌が大量に撹乱されたとしても、土壌センサーは土壌水分について何かを教えてくれるという考えで自分をなだめるかもしれない。あるいは、攪乱されていない土壌に針を刺すのだから、センサーの周囲の土壌特性が変化しても問題ないと考えるかもしれない。実際、現場の撹乱は重要であり、土壌水分データへの影響を軽減する方法があります。以下では、現場の攪乱と、データの不確実性と戦うために研究者が設置技術を調整する方法について説明します。

非攪乱方式はまだ不十分だ

土壌水分センサーの設置中、代表的な測定値を得るためには、土壌の攪乱を可能な限り少なくすることが重要である。衛星、地中レーダー、COSMOSなど、撹乱を伴わない方法も存在する。しかし、これらの方法は、水分量に対する単一のアプローチとしては実用的でないという課題に直面している。衛星は設置面積が大きいが、一般に土壌の上部5～10cmを測定し、分解能と測定頻度が低い。地中レーダーは解像度が高いが高価であり、下層の境界深度が不明な場合はデータの解釈が難しい。COSMOSは地上ベースの非侵襲的な中性子法であり、直径800メートルまでの範囲を連続的に測定し、衛星よりも深くまで到達する。しかし、多くの用途ではコストがかかり、植生と土壌の両方に感度があるため、研究者は2つの信号を分離しなければならない。これらの方法はまだ土壌水分センサーに取って代わるには至っていないが、土壌水分センサーが提供できる地上真実データと併用することでうまく機能する。

1.妨害の結果は...妨害である。

調査地が攪乱された後、土壌が自然の状態に戻るには、最長で6ヶ月、あるいはそれ以上かかることもある。影響因子には、降水量（湿潤気候は乾燥気候よりも早く「通常」に戻る）、土壌タイプ、土壌密度などがある。研究者は、平衡状態が戻るのを待つため、最初の2、3ヶ月のデータを無視するのが一般的である。研究者が掘削する際、成熟した草や植物は取り除かれ、その後植え替えられる。多くの場合、これらの植物は再植え付けが難しく、大規模な撹乱では、これらの植物のかなりの数がうまく機能しなかったり、枯れてしまったりする。これらの植物は水分を蒸散しなくなるため、水分バランスが変化し、土壌水分データに重大な影響を与える可能性がある。より少ない表面積を撹乱するオプションがあれば、植物の死亡率を減らし、結果を改善することができる。

2.マクロ孔の破砕は大惨事になりかねない。

土壌が移動したり圧縮されたりすると、土壌に構造を与え、水の移動を可能にする、幅広い孔径を持つ小さな毛細管であるミクロ孔やマクロ孔に不釣り合いな影響を与える。土地の攪乱と土壌の再圧密は、土壌のマクロ孔を破壊し、水の移動をより遅く、異なる経路で行わせる。その結果、改変区域の下の涵養に影響を及ぼす。土壌の除去量を少なくするような設置方法であれば、この問題を最小限に抑えることができる。

3.土の密度を正しくするのは難しい

締固めの反対は、土壌が緩く詰め直された場合に起こる。これによって、ボーリング孔やトレンチの壁の側面に沿って優先的な流れが生じ、通常よりも多くの水がそのゾーンに移動するようになる。この余分な水分は、センサーの針が挿入されている攪乱されていない土壌に吸収されることが多く、土壌水分データに歪みが生じる。この問題に対処するため、研究者は穴を適切な密度に注意深く詰め直す時間を計画すべきである。これは、表面にわずかなマウンドができるまで土を追加し、層状に詰めることによって行われる。表面が平らだと、時間の経過とともに土が窪みに沈む可能性がある。穴が大きいと、かなりの大きさの窪みになり、水が優先的に集まり、センサー周辺の土壌への水の浸透の仕方が変わってしまいます。

4.水平層の混在が水文学の混在につながる

設置ピットを詰め替える際に土壌の水平層を混合すると、土壌の透水特性が劇的に変化する可能性がある。例えば、ある土壌に砂質のAホライズンと粘土質のBホライズンがある場合、その層を逆にしたり混ぜたりすると、明らかな結果が生じる。土壌の層には、見分けがつきやすいものもあれば、見分けがつきにくい層があるものもある。このため、土壌の水文学的変化を防ぐために、土壌を慎重に除去し、層状に戻す必要がある。研究者は、設置ピットの周囲に防水シートを敷き、土を慎重に層ごとに取り除き、防水シートの上に順番に置くことでこれを実現できる。これらの層は混ざりやすいので、始める前に層を覚える方法を準備しておくと便利である。センサーの設置が終わると、研究者は土の層を逆の順序でピットに戻し、各層の間に正しい密度になるように詰め直す。

5.ルートシステムを破壊し、データを破壊する

土壌水分センサーを設置するために溝を掘る場合、大きな根系を破壊する可能性がある。根は土壌中の水分の主要な枯渇メカニズムであるため、根が枯れると、土壌水分の測定値が調査地域全体をどの程度代表しているかが変わってくる。センサーの近くにある根がすべて枯れてしまうと、測定結果は、水が実際よりも豊富であることを示唆する可能性がある。研究者は、より少ない根系を撹乱する戦略的に配置されたボーリング孔を使用することによって、この問題を軽減することができる。

トレンチの設置-ベストかワーストか？それは場合による

トレンチ設置の利点のひとつは、研究者が土壌プロファイル全体を見ることができ、ハードパン層の特定、地層と土壌タイプの決定、土壌構造と地層の特定をより容易に行えることである。しかし、大きなトレンチを掘ると、大量の土壌が除去される。そして、いったんすべての土壌が積み直されると、多くのマクロ孔が押しつぶされ、土壌中に水理学的不連続が存在することになり、水が人為的にセンサーから逸れたり、センサーに向かったりする可能性が高くなる。時間を節約するために研究者がバックホウを使うと、状況は悪化する。バックホーのトラックとパッドは土壌を圧縮し、特に土壌が濡れている場合は、大きなスクープが植物や根系を引き裂く。

近いようで遠いプロファイル・プローブ

プロファイルプローブは、土壌の攪乱が少ない小さなボーリング孔を使用するので魅力的です。しかし、プロファイルプローブの形状は直線的であるため、土壌とセンサーの接触が良好であるためには、壁面が完全に垂直である必要がある。残念ながら、ボーリング孔の側面が完全に垂直であることはめったにない。土の壁に沿ってカーブやくぼみがある。直線的なプロファイルプローブが良好な接続性を得ることはまれで、設置はエアギャップや優先流に悩まされることが多い。プロファイル・プローブの使用者は、厚い泥水で埋め戻すことでこれを補おうとすることが多いが、この方法にも、外来土の混入や、土の乾燥に伴って生じる亀裂による不正確さなどの課題がある。

ボアホール工法が勝つ理由

ボアホールは土壌層を破壊するが、サイトへの影響の相対的な大きさは、トレンチ設置の場合の数分の一である。トレンチの長さは60～90cm、幅は40cm程度である。小型のハンドオーガーを使って行うボアホール掘削と TEROS Borehole Installation Tool直径わずか10cmの穴が開くだけで、その面積はトレンチのわずか2～3％である。攪乱の規模が最小化されるため、攪乱されるマクロ孔、根、植物が少なくなり、自然状態に早く戻ることができる。さらに、小さなボーリング孔内で設置ツールを使用する場合、土壌とセンサーの良好な接触が確保され、分離する土壌が少ないため、水平層を分離し、正しい土壌密度に再梱包するのがはるかに容易です。

敷地の乱れをなくすことはできないが、規模をコントロールすることはできる。

現場の撹乱による土壌水分データへの影響を減らす鍵は、撹乱の規模をコントロールすることである。大規模な掘削はより広い範囲に影響を及ぼすが、小さなボーリング孔を掘削すれば、周囲の植物や土壌の水理特性への影響ははるかに少なくなり、調査地ははるかに速い速度で自然の状態に戻ることができる。

土壌水分放出曲線をさらに詳しく見る

土壌水分放出曲線（土壌水分特性曲線または土壌水分保持曲線とも呼ばれる）は、物理的な指紋のようなもので、土壌の種類ごとに固有のものである。研究者は、特定の水分状態における特定の土壌の水の運命を理解し、予測するために、この曲線を使用する。水分放出曲線は、以下のような重要な疑問に答えるものである。どのくらいの期間灌水すべきか？あるいは、水はすぐに土壌から排出されるのか、それとも根域に保持されるのか？水分放出曲線は、植物の水分吸収、深部排水、流出などを予測するための強力なツールである。

土壌水分放出曲線とは何か？

水ポテンシャルと体積含水率の間には関係があり、グラフを用いて説明することができる。これらのデータを組み合わせると、土壌水分放出曲線と呼ばれる曲線の形状ができる。土壌水分放出曲線の形状は、各土壌に固有である。それは、土壌の質感、嵩密度、有機物の量、間隙構造の実際の構成など、多くの変数に影響される。

図13は、3つの異なる土壌の曲線例を示している。X軸は対数目盛りの水ポテンシャル、Y軸は体積含水率である。土壌含水量と水ポテンシャル（または土壌吸引力）の間のこの関係によって、研究者は特定の土壌タイプにおける水の利用可能性と水の動きを理解し、予測することができる。例えば、図13では、土壌の種類によって、永久萎凋点（右の縦線）が異なる含水比になることがわかる。細砂壌土は5％のVWCで永久萎凋を起こすが、シルト壌土はほぼ15％のVWCで永久萎凋を起こす。

拡大変数と集中変数

土壌水分放出曲線を理解するためには、広域特性と集約特性について説明する必要がある。ほとんどの人は、土壌水分量という1つの変数のみから土壌水分を見ている。しかし、環境中の物質やエネルギーの状態を表すには、2種類の変数が必要である。広範な変数は、物質またはエネルギーの範囲（または量）を表す。そして集約的変数は、物質またはエネルギーの強度（または質）を表す。

広範な変数	インテンシブ・バリアブル
ボリューム	密度
水分	水ポテンシャル
熱量	温度

土壌水分量は広範な変数である。環境中にどれだけの水分があるかを表す。土壌水分ポテンシャルは集約的な変数である。これは、環境中の水の強度または質（そしてほとんどの場合、利用可能性）を表す。この仕組みを理解するために、熱の観点から広範変数と集約変数を考えてみよう。熱量（広範変数）は、部屋にどれだけの熱が蓄えられているかを表す。温度（集約的変数）は、その部屋の熱の質（快適度）、つまり体がどのように感じるかを表す。

図14は、北極にある大型船と、焚き火で熱せられたばかりのホットロッドを示している。どちらが熱量が高いだろうか？興味深いことに、北極の船は熱棒よりも熱量が大きいが、温度が高いのは熱棒である。

熱棒を船に接触させた場合、どの変数がエネルギーの流れを支配するか？集中変数である温度は、エネルギーがどのように動くかを支配する。熱は常に高温から低温へと移動する。

熱と同様、土壌水分量も単なる量である。水がどのように移動するかや、植物の快適度（植物が利用可能な水）を知ることはできない。しかし、土壌水ポテンシャルは、集中的な変数であり、水の利用可能性と移動を予測する。
"研究者のための水ポテンシャル完全ガイド "をダウンロードする

放湿曲線のデータはどこから来るのか？

土壌水分放出曲線は、原位置でもラボでも作成できる。現場では、土壌センサーを用いて土壌含水量と土壌水ポテンシャルをモニターする。

METERの簡単で信頼性の高い誘電センサーは、ほぼリアルタイムの土壌水分データをZL6 データロガーから cloud (ZENTRA Cloud).これにより、膨大な労力と費用を節約することができます。TEROS 12は含水量を測定し、TEROS ボアホール設置ツールで簡単に設置できます。TEROS 21は、設置が簡単なフィールド水ポテンシャルセンサーです。

ラボでは、METERの HYPROPと WP4Cを組み合わせて、土壌水分の全範囲にわたる完全な土壌水分放出曲線を自動的に生成することができます。

土壌水分放出曲線の使い方

土壌水分放出曲線は、体積含水率の広域変数と水ポテンシャルの集約変数を結びつけたものである。広域変数と集約変数を一緒にグラフ化することで、研究者や灌漑関係者は、土壌水がどこに移動するかなどの重要な疑問に答えることができる。例えば、下の図15で、下の3つの土壌が含水率15％の異なる土壌ホライズン層であった場合、ローム質の細砂の水は、より負の水ポテンシャルを持つため、細砂ローム層に向かって移動し始めるであろう。

土壌水分放出曲線は、いつ水を入れるか、いつ水を止めるかといった灌漑の決定を下すためにも使用できる。そのためには、研究者や灌漑担当者は、体積含水率（VWC）と水ポテンシャルの両方を理解する必要がある。VWCは、生産者がどれくらいの灌漑を行うべきかを示す。そして水ポテンシャルは、その水が作物にどの程度利用可能で、いつ灌漑を止めるべきかを示す。その仕組みを説明しよう。

図16.3つの異なる土壌の典型的な土壌水分放出曲線図16は、ローム状砂、シルトローム、および粘土土壌の典型的な水分放出曲線を示している。100kPaでは、砂質土壌の含水率は10％以下である。しかし、シルトロームでは約25％、粘性土では40％に近い。圃場容積は通常-10～-30kPaである。そして永久萎凋点は-1500kPa前後である。この永久萎凋点よりも乾燥した土壌では、植物に水を供給することはできない。また、圃場容量より湿った土壌の水は土壌から流出する。研究者／灌漑担当者は、これらの曲線を見て、土壌の種類ごとに最適な含水レベルを知ることができる。

図17は同じ水分放出曲線で、圃場容量範囲（緑の縦線）、灌漑作物に通常設定される下限値（黄色）、永久萎凋点（赤）を示している。これらの曲線を用いれば、研究者／灌漑担当者は、シルトロームの水ポテンシャルを-10～-50kPaの間に保つべきであることがわかる。そして、これらの水ポテンシャルに対応する含水量は、シルトロームの含水量を約32％（0.32m3/m3）に保たなければならないことを灌漑担当者に伝える。土壌水分センサーは、この最適限度を上回ったり下回ったりしたときに警告を発することができる。

ZENTRA すべてをシンプルにする

リリースカーブから情報が得られると、METERのデータロガーと ZL6 データロガーと ZENTRA Cloudは、最適な水分レベルを維持するプロセスを簡素化します。ZENTRA cloud で上限と下限を設定することができ、ほぼリアルタイムの土壌水分データ（青い網掛け）の上に網掛けバンドとして表示されるため、水のオンとオフを切り替えるタイミングを簡単に知ることができます。制限値に近づいたり超えたりすると、自動的に警告が出される。

現場での水分放出曲線？はい、可能です。

原位置に 水ポテンシャルセンサーと土壌水分センサーを設置することで、研究者の知識ベースにさらに多くの水分放出曲線が追加されます。また、地盤工学エンジニアや灌漑科学者にとって最大の関心事は主に不飽和土壌の原位置性能であるため、実験室で作成した曲線に原位置測定を追加することは理想的である。

以下のウェビナーでは、METERリサーチサイエンティストのColin Campbell博士が、Pan American Conference of Unsaturated Soilsで最近行われた論文を要約している。Campbellら（2018）による論文「Comparingin situsoil water characteristic curves to those generated in the lab」は、TEROS 21calibrated matric potential sensor and METERwater content sensorsを使用して原位置で生成されたSWCCが、ラボで作成されたものと比較してどの程度優れているかを示している。

待って、まだある

土壌水分放出曲線は、この記事の範囲を超えて、さらに多くの洞察と情報を提供することができる。研究者は、土壌の収縮膨潤容量、陽イオン交換容量、土壌特有の表面積など、多くの問題を理解するためにこの曲線を使用している。以下のビデオでは、土壌水分の専門家であるレオ・リベラ（Leo Rivera）が、水に関する個々の土壌の挙動を分析するために放湿曲線を使用する方法について、より詳細な情報を提供している。

付録

1-なぜTDRとキャパシタンスの比較は的外れなのか？

どの土壌水分センサがどのような用途に最適かを考えるとき、「何を測定するのか」という明白な疑問を見落としてしまいがちです。時間領域反射率法（TDR）とキャパシタンスの比較は、広い測定周波数スペクトル（誘電スペクトロスコピーと呼ばれる）にわたって誘電率を調べている研究者にとって正しい質問です。これらのデータには、含水率や電気伝導率とともに嵩密度を測定できるなど、重要な情報が含まれています。このような測定が必要な場合、現在のところ1つの技術しかありません：TDRである。導電性ロッドを移動する電気パルスの反射率には、幅広い周波数が含まれている。デジタル化されると、これらの周波数は高速フーリエ変換によって分離され、追加情報を分析することができる。

しかし、大半の科学者にとっての目的は、土壌水分量を瞬間的または経時的に高精度でモニタリングすることであり、複雑で高価なTDRシステムは必要ないかもしれない。

両テクニックの背景にある理論

キャパシタンスとTDR土壌水分センサー技術は、どちらも周囲の媒体の誘電率を測定するため、しばしば一緒に扱われる。実際、あるプローブが実際にはキャパシタンスを使用しているにもかかわらず、TDRに基づいて含水量を測定していると示唆し、この2つを混同している人も珍しくありません。以下では、この2つの技術の違いについて説明します。

キャパシタンス法は、媒体を誘電体として使用するコンデンサの充電時間を測定することで、媒体の誘電率を決定します。まず、開始電圧V_iから電圧V_fまで充電するのにかかる時間t_f.

ここでRは直列抵抗、Cはキャパシタンスである。コンデンサーの充電の様子を図1に示す：

抵抗と電圧比が一定であれば、コンデンサーの充電時間tは、次の式に従って静電容量に関係する。

平行平板コンデンサでは、キャパシタンスはコンデンサ・プレート間の媒体の誘電率(k)の関数であり、次式で計算できる。

ここで、 Aはプレートの面積、Sはプレート間の間隔である。AとSも固定値であるため、コンデンサに充電される時間は、周囲の媒体の誘電率の単純な一次関数（理想的には）となる。

土壌プローブは平行平板コンデンサではないが、式7に示される関係は、平板の形状に関係なく有効である。時間領域反射率法（TDR）は、媒質に囲まれた伝送線路に沿って電磁波が伝播する時間を測定することによって、媒質の誘電率を決定します。電磁パルスが伝送線路の長さを伝搬して戻ってくる通過時間（t）は、媒質の誘電率kと次の式で表されます。

ここで、Lは伝送線路の長さ、cは光速（真空中では3×108 m s）である。したがって、誘電率は次のように計算されます。

したがって、TDRプローブに沿った電磁波の伝搬時間は、通過時間の2乗と固定値（c/2L）の関数のみとなる。cと Lはそれぞれ定数と固定長であるため、TDR測定は理論上、静電容量センサーに比べて土壌や環境条件の影響を受けにくい。しかし、塩分濃度が高いために反射波形が低下したり、温度によって終点が変化したりすると、TDR出力の解釈はかなりの誤差の原因となる。

周波数による精度の違い

An oscillating voltage must be applied to a TDR or capacitance sensor to measure the reflection or charge time in the medium. The frequency of the oscillation is important because it is widely accepted that low frequencies (<10 MHz) are highly susceptible to changes in salinity and temperature. Because there is no limit on the possible input frequencies for either technique, it is important to verify the frequency of the soil moisture device used.

METER社製の静電容量センサーは、土壌の塩分濃度が測定値に与える影響を最小限に抑えるため、高周波を使用している。しかし、使用される周波数はTDRよりもかなり低く、通常は50～100MHzである。キャパシタンスプローブの高い周波数は、土壌中の水分をすべて「見る」ことができる一方で、旧式のキャパシタンスプローブに存在する土壌塩分による誤差のほとんどから逃れるのに十分な高さである。キャパシタンス・センサーの回路は、体積含水率の極めて小さな変化を分解するように設計することが可能で、NASAが火星の含水率測定にキャパシタンス技術を使用したほどである。キャパシタンス・センサは、多くの回路を必要としないため低コストであり、1ドルあたりより多くの測定が可能である。

TDRと同様、キャパシタンス・センサも取り付けは簡単だ。TDRプローブよりも測定プローブの長さが短いため、穴に挿入するのがそれほど難しくありません。キャパシタンス・センサは、必要なエネルギーが少ない傾向にあり、データロガーの小型バッテリーパックを電源として、現場で何年も使用できる可能性がある。

エラーは不適切な設置方法によるもの

要約すると、測定の背景にある理論は多少異なるものの、TDRとキャパシタンスはどちらも誘電率を測定して体積含水率を求めるものである。歴史的な観点から見ると、TDRもキャパシタンスも広く受け入れられているが、価格差が非常に大きいため、キャパシタンスと比較してTDRに大きな価値を感じる人もいるかもしれない。一般的に、どちらの技術を用いても体積含水率の妥当な測定値を得ることができ、測定値の誤差は、技術自体の限界というよりも、設置方法の不備に起因することが多い。新しい TEROS Borehole Installation Toolは、土壌水分センサーの設置ミスを防止することで、データの不確実性を低減する。このツールは機械的な利点があるため、現場の撹乱を最小限に抑えながら、どのような土壌タイプ（硬い粘土質でさえも）にも一貫した完璧な設置が可能です。センサーは、均一な圧力でまっすぐ垂直に設置され、エアギャップや偏流を防ぐために静かに解放されます。このため、TEROS の静電容量式土壌水分センサーの製品ラインは、市販されている同様のセンサーよりも不確かさが少なく、より高い精度を提供することができます。

2-ECH₂O土壌水分センサーとTEROS センサー-どちらが優れているか？

今日のキャパシタンスは高精度

1970年代にキャパシタンス技術が土壌水分の測定に初めて使われたとき、科学者たちはすぐに、電磁場の充放電の速さが成功に不可欠であることに気づいた。周波数が低いと、土壌の塩分濃度が測定値に大きく影響した。時が経つにつれ、この新たな理解とエレクトロニクスの速度の進歩が相まって、当初の静電容量方式が成功するように調整されるようになった。METERセンサーのような最新の静電容量センサーは、土壌の塩分濃度の測定値への影響を最小限に抑えるため、高周波数（70MHz）を使用している。

静電容量センサーの回路は、体積含水率の極めて小さな変化を分解するように設計することができ、NASAが火星の含水率測定にMETERの静電容量技術を使用したほどである。静電容量式土壌水分センサーは設置が簡単で、必要な電力が少ない傾向にある。データロガーの小型バッテリーパックで駆動するため、現場で何年も使用できる。

TEROS と_ECH20：同じ信頼できるテクノロジー

TEROS と_ECH20の両土壌水分センサーは、何千もの査読付き論文で発表されている、信頼性の高い同じ高周波（70 MHz）静電容量技術を使用しています。図 20 は_ECH205TE とTEROS 12 の校正データを示しています。

しかし、新しいTEROS のラインは、較正技術、設置ツール、より優れた原材料の進歩を活用し、より耐久性があり、正確で、設置がより簡単で速く、一貫性があり、パワフルで直感的なほぼリアルタイムのデータロギングと可視化システムにリンクしたセンサーを製造している（図21）。

TEROS 、新しい水分センサーのラインアップに見られる変更点のいくつかを紹介する：

センサー間のばらつきを最小化： TEROS 11/12センサーは、センサーコストをリーズナブルに抑えながら、精度を最大化し、センサー間のばらつきを最小化する全く新しい校正手順を採用しています。そのため、どのセンサーを設置しても、次のセンサーと同じように正確に読み取ることができます。

大容量の影響力： TEROS 11/12センサーの影響力は1リットル（一般的なセンサーは200mL）。

信頼性が高く、長寿命のセンサー性能： 研ぎ澄まされた高品質のステンレス製針は、硬くなった土壌にも容易に滑り込み、耐久性の高いエポキシ樹脂の充填により、センサーは現場で最長10年使用できます。TEROS 12では、温度センサーを真ん中の針の内側にぴったりと配置しているため、針は頑丈でありながら、土壌の温度変化に非常に敏感です。

インストールエラーの減少： 新しい TEROS Borehole Installation Toolは、設置ミスを防止し、あらゆる土質（硬い粘土質も含む）に一貫した完璧な挿入を実現すると同時に、現場の撹乱を最小限に抑えます。センサーは、均一な圧力で側壁に対して完全に垂直に設置され、エアギャップが生じないように静かに解放されます。

検証基準：TEROS センサーの再現性を精度検証基準でチェックできる。他の土壌水分センサーにはこの機能はありません。検証クリップをセンサーにスライドさせ、ロガーに差し込むだけです。正しい範囲内で読み取れれば、センサーは問題ありません。

シームレスなデータ収集： 簡単で信頼性の高いデータ収集のために、TEROS センサーを新しい ZL6を通じて、すべてのデータがほぼリアルタイムで配信されます。 cloud.

TEROS の勝因

TEROS TEROS 土壌水分センサーは、同じ信頼性の高い_ECH20テクノロジーを使用していますが、データセット全体の精度を最適化するために、_ECH20 ラインを超えています。一貫した完璧な設置、極めて堅牢な構造、センサー間のばらつきの最小化、影響力の大きさ、高度なデータロギングを組み合わせ、最高の性能、精度、使いやすさ、信頼性をお求めやすい価格で提供します。

3-土壌水分データ収集：8つのベストプラクティス

すべての研究者の目標は、研究の全期間にわたって使用可能なフィールドデータを得ることである。良いデータセットとは、科学者が結論を導き出したり、特定のアプリケーションにおける環境要因の挙動について何かを学んだりするために使用できるものである。しかし、多くの研究者が痛感しているように、良いデータを得ることは、センサーを設置してフィールドに放置し、正確な記録を見つけるために戻ってくるほど単純なことではない。前もって計画を立てず、頻繁にデータをチェックし、定期的にトラブルシューティングを行わない研究者は、データロガーのケーブルが抜かれていたり、センサーケーブルがネズミに傷つけられたり、あるいはもっと悪いことに、結果を解釈するのに十分なデータがないなど、不愉快な驚きを発見して戻ってくることが多い。幸いなことに、データ収集の災難のほとんどは、質の高い機器と入念な先読み、そしてちょっとした準備で回避可能だ。

間違えてはならないのは、そのためには費用がかかるということだ。

以下は、研究計画時に陥りがちなミスで、時間と費用がかかり、データが使えなくなる可能性がある。

研究を計画する際には、以下のベストプラクティスを用いて、データ収集を簡素化し、データの有用性、ひいては出版可能性を妨げるような見落としを避ける。

設置前の準備で時間とコストを節約

フィールドに行く前にラボでセンサーをセットアップすることは、研究者がセンサーがどのように機能するかを理解するのに役立つ。例えば、科学者は異なる土壌タイプで土壌センサーの測定値を取ることができ、異なるシナリオで予想される土壌水分値をしっかりと理解することができる。フィールドに行く前にセンサーを把握することは、研究者が正しい設置方法を理解し、設置にどれくらいの時間がかかるかを理解し、センサーが正しく読み取れないなどの問題を診断するのに役立つ。この間に、設置に必要な道具や設備も調べられる。ジッパータイ、ペンチ、マーカー、懐中電灯、バッテリーなどの重要な道具を詰めた設置専用の工具箱を用意しておけば、現場への往復の時間を節約できる。

研究者がプログラミングを必要とするデータロガーを使用する場合、2週間前にプログラミング言語を学び、ロガー用のプログラムの書き方を確実に理解する必要がある。のようなプラグアンドプレイ、cloud データロガーでさえ、インストール前の準備作業が必要である。 ZL6のようなプラグアンドプレイのデータロガーであっても、調査サイトがセルタワーの範囲内にあることを確認するなど、設置前の準備作業が必要である。

計画が最も重要

研究者は、地図を使って敷地計画を立て、設置には通常、考えている時間の2倍かかることを忘れてはならない。特に時間に追われている場合、現場計画を立てることで人的ミスを大幅に減らすことができる。研究現場に到着したら、科学者は計画に従って設置し、その都度地図に調整を記録することができる。このステップによって、将来、彼らや他の同僚が問題のあるセンサーを見つけて掘り起こさなければならなくなった場合、時間を大幅に節約することができる。うまくいかないかもしれないことに対するバックアッププランを持つことも重要である。例えば、ある深さの土壌が岩だらけだったらどうするか？あるいは、ウェザーステーションや湿度センサーが2メートルの地点に設置できなかったらどうするのか？研究者は、当初の計画がうまくいかなかった場合にどうするかを考えておく必要がある。多くの場合、数週間から数ヶ月は現場に戻ることができないからだ。

立地選定が研究を左右する

場所を選ぶ前に、科学者はデータ収集の目標を明確に定めるべきである。データを使って何をするのか、データが正しい質問に答えられるようにする必要がある。目標が理解できれば、研究者はセンサーをどこに設置すべきかを理解し始めることができる。

研究者がセンサーの設置場所を決定する際に直面する最も影響力のある問題は、変動性である。例えば、土壌を研究する科学者は、傾斜、アスペクト、植生タイプ、深さ、土壌タイプ、土壌密度などの変動要因を理解する必要がある。キャノピーを研究する場合は、植物被覆の不均一性を理解し、それに応じて配置する必要がある。研究者がデータを比較する場合、センサーの配置に一貫性を持たせる必要がある。つまり、地上部の高さや地下部の深さは、サイト間で一貫していなければならない。すべての変動源をモニターする方法はないので、研究者は最も重要な変動源をモニターすべきである。ばらつきの詳細については、「土壌水分センサー：いくつ必要ですか？

場所の選定も実用的でなければならない。研究者は、すべてが正しく機能していることを確認するために、できるだけ頻繁にデータを見る必要があります（少なくとも月に1回をお勧めします）。携帯データロガーは、特に遠隔地でのデータアクセスをはるかに容易にします。データをcloud にアップロードすることは、科学者がオフィスにいながらにして、毎日データにアクセスし、共有し、トラブルシューティングできることを意味します。

また、データロガーの設置場所を選ぶ際には、落雷時に電位差を生じさせる可能性のある長い配線はなるべく避けてください。センサーを差し込みやすい場所を選び、ケーブルがロガーから引き抜かれないように、余分なケーブルをストレインリリーフのために支柱にジッパーで縛ります。センサーのプラグが抜けていたり、接続が断線していたりすると、調査が壊滅的な打撃を受ける可能性があります。

より多くのメタデータ、より多くの洞察

研究者が調査現場で記録するメタデータが多ければ多いほど、データの理解が深まり、長期的には時間の節約になる。のようなデータロガーもある。 ZL6のようなデータロガーは、GPS位置、気圧、センサーのシリアル番号などの重要なメタデータを自動的に記録する。さらに、土壌温度や微気候モニタリングのような補助的な測定も、メタデータのもう一つのソースとなり得る。ATMOS 41のようなオールインワンウェザーステーションは、気象イベントを自動的に記録し、土壌水分、水ポテンシャル、またはその他のデータのベンチマークやグラウンディングトゥルースとして重要な役割を果たす。

現場計測器によって自動的に記録されない現場情報を文書化するために、多くの科学者は、現場で作業している他の同僚に知らせるために使用できる共有の現場特性ワークシートを作成することが実用的であると考える。土壌の種類、土壌密度、覆土の種類、測定間隔、生データと使用した校正の種類、灌漑システムに関するメモ（ある場合）、どの深さにどの土壌水分センサーが設置されているか、その場所を選んだ理由、収穫などデータ収集に影響を与える可能性のある出来事、その他データ分析時に思い出すのが困難な情報などである。このような情報は、公開するときに重要になります。cloud をベースにした共有の場所に置くことで、頭痛の種を減らすことができます。

設置-精度の鍵

科学者が正確なデータを求めるのであれば、センサーの正しい設置が最優先されるべきである。例えば、土壌を測定する場合、密度の自然な変動によって2～3％の精度損失が生じる可能性がありますが、設置が悪いと10％以上の精度損失が生じる可能性があります。センサーを正しく設置するのにそれほど余分な時間はかからないので、研究者は説明書を注意深く読むべきである（より詳細な情報については、「土壌水分センサー：どの設置方法が最適か」を参照）。センサーの設置後、オーガーホールまたはトレンチを閉じる前に、必ずセンサーを ZSCでセンサーをチェックし、読み取り値が正確であることを確認してください。シーズン分の悪いデータを収集した後でセンサーを掘り起こすのは骨が折れます。

さらに、各センサーにセンサーの種類、設置深度、その他重要と思われる情報を必ずラベリングする。何百ものセンサーを設置する研究者は、センサーをバーコード化する電子ラベリング装置を購入することもあるが、テープや油性マーカーでもよい。ラベルは天候から保護するためにデータロガーの内側に挟む。

メンテナンス＝安心

センサーを全力で保護することは、研究にとって非常に重要である。研究者にとって重要なのは、露出したセンサーケーブルをPVCパイプまたはフレキシブルな電線管の中に通し、データロガーの支柱の上まで約60cm（2フィート）通すことである。こうすることで、ネズミやシャベルによる損傷を防ぐことができる。また、UV 耐性のあるジップタイでケーブルを支柱にきちんと結び、データロガーに引っ張られないようにしっかりと固定します（ストレインリリーフがあることを確認してください）。現場視察の際、データロガーのシールを点検し、ひび割れがないかチェックするのも良いアイデアです。データロガーのシールにひび割れがある場合、耐候性がない可能性があるため、交換する必要があります。無償交換をご希望の場合は、カスタマーサポートにご連絡ください。

さらに、研究者はトラブルシューティングのために、できるだけ頻繁に実際のデータをチェックすべきである。ある科学者は、同じ高さにある量子センサーと比較することで、日射計のデータに誤りがあることを発見した。実際の値を見て初めて、彼は鳥が日射センサーを汚してしまい、研究の大部分に役立たなくなったことを発見した。結局、彼は量子センサーからデータを計算することになったが、その精度は低かった。データを定期的にチェックすることで、研究プロジェクトに悪影響を及ぼす問題を防ぐことができる。新しい ZENTRA Cloudと ZL6を使えば、研究者は毎日でもトラブルシューティングを行い、データをグラフ化することができる。トレンドの発見やエラーの発見に2〜3分費やすだけで、失われた数週間のデータを救うことができるかもしれない。

タイミングがすべて

その ZL6は、以前のものと同様、データを平均化する。つまり、研究者が平均値を求めないのであれば、もっと頻繁にデータを記録すべきなのだ。しかし、大量のデータを作成することが必ずしも目的を達成するとは限らない。重要なのは、研究仮説に関連する時系列を捉え、理解することである。ある研究者が土壌水分の年間傾向を理解しようとしている場合、5分間のデータを取っているとすると、土壌水分は1分単位ではあまり変化しないため、役に立たない大量のデータが生成されることになる。そうなると、研究者はデータを薄くするために後処理をせざるを得なくなる。それでも、研究の目的が土壌に水が浸透し始めた瞬間を知ることであるならば、1分間隔またはそれ以下の間隔でデータを取得することは非常に重要である。このような研究者には、キャンベル・サイエンティフィック社製のデータロガーか、瞬時の変化に基づいて読み取りイベントをトリガーできるものが必要になる。しかし、ほとんどの人は必要なデータ量を過大評価している。日射量を測定する場合、15分ごとで十分なことが多い。蒸発散量であれば、30分ごとのデータを記録するのが一般的だ。これらや他の多くのケースでは、5分ごとなどという短い記録間隔は、かなり頻繁すぎるだろう。

研究者が忘れがちなもう一つの重要なステップは、データロガーの時間測定頻度をすべて一致させることである。研究者が2台のデータロガーで15分ごとに読み取り、他の誰かが1台で1時間ごとに読み取るように設定した場合、1時間ごとのデータしか使用できない。

データ解釈-既成概念にとらわれない

科学者がデータにエラーを発見しても、それは必ずしもセンサーが壊れているからではない。多くの場合、興味深いセンサーの測定値は、土壌や環境で何が起きているのかを物語っている。データの解釈は時に難しく、研究者は実際に何が起きているのかを理解するために現場に戻る必要があるかもしれない。例：図22では、土壌水分センサーが壊れているように見えるが、科学者が詳しく調査したところ、蒸発散量が浸透量よりも多いことがわかった。

さらに、研究者はデータを解釈するために、既成概念にとらわれずに考える必要があるかもしれない。データをいくつかの異なる方法で見てみることができる。図23は、データをグラフ化する従来の時間的な方法を示している。図24では、同じデータをまったく別の方法で見ることができる。

研究者はまた、水分放出曲線を用いて、含水率データを水ポテンシャルに変換することもできる（図25参照）。

水ポテンシャルのデータが得られれば、データは次のようになる：

同じデータを3つの異なる方法でプロットすることで、研究者が従来の時間グラフでは気づかないような問題や課題が浮き彫りになるかもしれない。

データを活用する

実験期間中、物事を正しく進めるためにわずかな余分な時間を費やすことは、時間、労力、費用の節約という大きな配当となる。準備、計画、明確に定義された研究目標、適切な場所の選択、設置、メンテナンス、タイミング、そして正しいデータの解釈はすべて、研究プロジェクトを危険にさらす典型的なデータ事故を防ぐために大いに役立つ。最終結果は？発表できる、あるいは意思決定に使用できるデータ。

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土壌水分データの見方

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