寄稿者

環境測定キャンペーンに着手する大学院生、経験豊富な研究者、あるいは灌漑管理に関心を持つ栽培者など、土壌水分を測定する必要性に気づいたことがあるでしょう。なぜでしょうか？それは、水の利用可能性が生態系の生産性を左右する主要な要因の一つであり、土壌水分（土壌水分量／土壌水ポテンシャル、または土壌吸引力）はほとんどの植物にとって直接的な水分供給源だからです。では、土壌水分とは何でしょうか？以下では、土壌水分の定義を包括的に解説し、土壌水分に関連する重要な科学用語をいくつか解説します。

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す。測定方法を決める前に知っておくべき基本原則があります。実際に何を調べようとしているのかを見つけるための質問をいくつか紹介します。

• 土壌に蓄えられている水に興味がありますか？
• 生産量を最大化するために、一次生産に利用可能な水を重視するのか、それとも敷地内の最大生産量を把握するのか。
• 土壌中の水と溶質の移動について研究していますか？
• 農作物の水利用の最適化を目指していますか？
• 土壌の水文学をモデル化していますか？

これらの質問のどれに興味があるかによって、土壌水分の意味は大きく異なる可能性があります。

測定すべき変数を知る

多くの人は土壌水分を、土壌水分量という一つの変数だけで捉えがちです。しかし、土壌中の水分の状態を表すには、含まれる水分の量を表す水分量と、水のエネルギー状態を表す水ポテンシャル（土壌吸引力）という二つの変数が必要です。

土壌水分量は広範な変数であり、規模や状況によって変化します。単位体積または質量あたりの水分量として定義されます。つまり、土壌にどれだけの水分が存在するかということです。

水ポテンシャルは、物質またはエネルギーの強度または質を表す「強度」変数です。しばしば温度と比較されます。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ます。水ポテンシャルとは、ポテンシャルがゼロの純水を基準とした、水のモル（単位質量、単位体積、単位重量）あたりのポテンシャルエネルギーです。水ポテンシャルは、土壌から少量の水を取り出し、それを純粋な自由水のプールに貯めるために必要な仕事と考えることができます。

インテンシブ変数とエクステンシブ変数の詳細

「研究者対象 水ポテンシャル完全ガイド」をダウンロード

土壌水分量：量にすぎない

この記事では、土壌水分含有量を測定する 2 つの異なる方法、すなわち重量水分含有量と体積水分含有量について簡単に説明します。

重量法水分含有量は、土壌の質量あたりの水の質量（つまり、土壌1グラムあたりの水のグラム数）です。土壌水分含有量を測定する主要な方法であり、質量を測定することで土壌中の水分量を直接測定できます。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ます。

したがって、重量水分含有量は、湿潤土壌質量から乾燥土壌質量を差し引いて乾燥土壌質量で割った値に等しくなります。言い換えれば、水の質量を土壌の質量で割った値です。

体積土壌水分とは、土壌の総体積あたりの水の体積です。

容積基準土壌水分は、容積基準で報告されることを除けば、重量基準土壌水分と同じことを表しています。

例えば、図1は、既知の体積の土壌の成分を示しています。すべての成分の合計は100%です。体積水分率（VWC）は、水の体積を土壌の総体積で割った値に等しいため、この場合、VWCは35%になります。VWCは、cm³/cm³またはインチ/フィートで示されることもあります。

重量測定とVWC：かさ密度による連動

重量土壌水分（w）は、土壌の乾燥嵩比重（⍴）を乗じる ことで、体積土壌水分（ϴ）に変換できます。また、_bを乗じて体積土壌水分に換算することができます（式 3）。

重量法による水分含有量は土壌に含まれる水分量を測定する第一原理（または直接的な方法）であるため、現場または遠隔で検知されるほぼすべてのVWC測定値の較正と検証に使用されます。誘電センサーをお持ちの場合は、電磁場で読み取った値を土壌水分含有量に変換する何らかの関係があります。したがって、体積水分含有量が正しいかどうかわからない場合は、土壌をサンプルとして採取し、重量法による水分含有量を測定し、嵩密度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す。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。

• 土壌水分が単なる量ではない理由
• 水分量：水分量とは何か、その測定方法、そして水分量が必要な理由
• 水ポテンシャル：水分ポテンシャルとは何か？
• 水分量、水ポテンシャル、あるいはその両方を測定すべきかどうか
• 各パラメーターを測定するセンサー

体積含水率の測定方法

ほとんどの体積土壌水分測定は、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でしょうか？

図2は水分子を示しています。上部には酸素原子が1つ存在する負極があり、下部には水素原子が2つ存在する正極があります。土壌に電磁場（図3）を印加すると、この水分子は反応します。電磁場を反転させると、水分子は逆方向に動きます。このように、水分含有量センサーで電磁場を生成することで、水が電磁場に与える影響を測定することができます。土壌中の水分量が多いほど、影響は大きくなります。静電容量技術の詳細については、こちらをご覧ください。

なぜセンサーで土壌水分量を測定するのか？

土壌水分含量センサーを使用することで、時系列データ（図4）の取得が可能になります。これは、土壌で何が起こっているかを理解するための強力なツールです。重量法による水分含量測定では、サンプルまたは一連のサンプルを採取し、研究室に持ち帰る必要があります。時系列データが必要な場合、現場で常にサンプリングを行う必要があるため、これは現実的ではありません。

水分含有量センサーを使用すると、土壌水分含有量の変化のタイミングを自動的に測定し、断面の深度を比較することができます。これらの曲線の形状は、土壌中の水分に何が起こっているかに関する重要な情報を提供します。

表1は、さまざまな土壌センシング法を比較したものです。

表1.土壌センシング手法の比較

重量法による水分含有量測定は、第一原理に基づいた優れた測定方法ですが、時間がかかり、破壊的な手法であるため、測定結果が時間経過とともに変化し、ある時点のスナップショットしか得られません。土壌水分含有量センサーは、時系列データを提供し、経時的なプロファイルセンシングを可能にし、センサーを土壌に挿入しながらも破壊的なサンプリングを回避します。リモートセンシングは、限られたスケールでの時系列データを提供しますが、水分含有量測定に重要な空間サンプリングに非常に効果的です。METER土壌水分センサーは、設置場所への影響を最小限に抑えるよう設計された専用の設置ツールにより、外乱を軽減します（動作原理についてはビデオをご覧ください）。

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取得するには、センサーの正しい設置が最優先事項です。土壌内での測定では、密度の自然な変動により2～3%の精度低下が生じる可能性がありますが、不適切な設置では10%以上の精度低下につながる可能性があります。土壌水分データにおける最も一般的な誤差の原因は不適切な設置ですが、常に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、その実現方法について説明します。
学ぶ：

• 優れた土壌水分データとはどのようなものか
• 様々な設置上の問題がどのようにデータに現れるか（エアギャップ、センサーの緩み、土質の変化、深さの交差など）。
• 正確な設置方法
• 新開発のTEROS センサー設置ツール（ボーリング孔用）が、一貫性を向上させながらも、エアギャップと現場の攪乱を減らす理由
• 正しく設置するために他の科学者が行っていること

飽和：それはあなたが考えているようなものではない

体積水分含有量の観点から見ると、乾燥土壌は定義上、体積水分含有量0%です。これは明確な終点です。純水はスケールの反対側、100%です。多くの人が体積水分含有量100%は土壌が完全に飽和していると考えていますが、そうではありません。土壌の種類によって飽和する水分含有量は異なります。

飽和度という見方もあります。

飽和度 = VWC/ポロシティ * 100

土壌の種類に応じて、その多孔度がわかれば、飽和時の水分含有量を概算できます。しかし、圃場で土壌が飽和状態に達することは稀です。なぜでしょうか？

図5では、土壌が水を吸収すると、土壌粒子に付着する水膜が形成されることがわかります。また、空気で満たされた間隙も存在します。圃場では、これらの空気層を完全に除去することは困難です。この空気の閉じ込めにより、土壌の種類を問わず、飽和度は理論上の最大値とほとんど一致しません。

水ポテンシャルとは何か？

水ポテンシャルは、土壌水分を表すために使用されるもう 1 つの変数です。前述のように、これは土壌のエネルギー状態、または電位が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ます。これはどういう意味でしょうか。この原理を理解するには、土壌サンプルの水をコップに入った水と比較してください。コップの中の水は比較的自由に利用することができます。それに対して、土壌の水は表面に結合しており、溶質によって希釈される場合があり、圧力がかかっている場合もあります。結果として、土壌水は「自由水」とは異なるエネルギー状態になります。自由水には、エネルギーを一切加えずにアクセスできます。土壌水は、それが保持しているエネルギーと同等かそれ以上のエネルギーを費やすことによってのみ抽出できます。水ポテンシャルは、土壌サンプルから水を引き出すために必要なエネルギー量を表します。

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す（式4）。

マトリックポテンシャルは土壌に関して最も重要な要素です。これは、土壌表面に付着している水に関係しているからです。図6では、マトリックポテンシャルが土壌粒子に付着する水膜を作り出しています。土壌から水が排出されると、空気で満たされた間隙が拡大し、マトリックポテンシャルが低下するにつれて、水は土壌粒子にさらに強く結合します。マトリックポテンシャルの作用については、以下のビデオをご覧ください。

水ポテンシャル勾配は土壌中の水の流れの原動力です。そして、土壌水ポテンシャルは植物が利用可能な水分量を示す最良の指標です（その理由はこちらをご覧ください）。水分含有量と同様に、水ポテンシャルは実験室でも圃場でもセンサーを用いて測定できます。ここでは、圃場で使用される様々なタイプの水ポテンシャルセンサーの例をいくつかご紹介します。

水ポテンシャルは水の動きを予測する

図 6 に示すように、水はエネルギーの高い場所から低い場所へと移動し、平衡状態に達します。たとえば、土壌の水ポテンシャルが -50 kPa の場合、水はより負の -100 kPa に向かって移動し、より安定します。

これは、植物土壌大気連続体で起こっていることとほぼ一致しています。図7では、土壌は-0.3 MPaで、根はそれよりわずかに負の-0.5 MPaになっています。これは、根が土壌から水を吸い上げることを意味します。そして、水は道管を通って上昇し、この電位勾配を越えて葉から外に出ていきます。そして、-100 MPaの大気がこの勾配を駆動しています。つまり、水ポテンシャルはシステム内で水がどの方向に移動するかを決定します。

植物が利用できる水とは？

植物が利用可能な水分とは、土壌または生育培地における圃場容量と永久萎凋点（下記の定義を参照）の水分含有量の差です。土壌が永久萎凋点付近まで乾燥すると、ほとんどの作物は大幅な収量減少に見舞われます。作物の収量を最大化するには、通常、土壌水分含有量を永久萎凋点より十分に高く維持する必要がありますが、植物が利用可能な水分は土壌内の水貯蔵量の大きさを示すため、依然として有用な概念です。土壌の種類に関する基本的な知識があれば、現場土壌水分センサーによる測定から圃場容量と永久萎凋点を推定できます。これらのセンサーは、継続的な土壌水分含有量データを提供し、灌漑管理の意思決定に役立てることで、作物の収量と水利用効率の向上に貢献します。

フィールド・キャパシティとは何か？

圃場保水力は、「土壌を水で湿らせてから2～3日後、かつ自由排水が無視できる程度になった後に、質量または体積ベースで土壌に残留する水分量」と定義されます。（『土壌科学用語集』米国土壌科学会、1997年）細粒土壌では水ポテンシャル-33kPa、砂質土壌では水ポテンシャル-10kPaにおける水分量とされることが多いですが、これはあくまでも目安です。実際の圃場保水力は土壌断面の特性によって異なります。圃場でモニタリングされた水分量データから決定する必要があります。圃場保水力データを参照する場合は、その値がどのようにして算出されたかを知っておくことが重要です。

一圃場の容量は一般的に水ポテンシャルで表されますが、実際には流動特性であることを認識することが重要です。水は重力ポテンシャル勾配の影響を受けて土壌断面を下方に移動します。水は永遠に下方に移動し続けますが、土壌が乾燥すると透水係数が急速に低下し、最終的には蒸発や蒸散による損失と比較して下方への流れが小さくなります。土壌を水漏れのあるバケツと考えてみてください。植物は、根圏を通って下方に移動する水の一部を掴もうとしているのです。

永久凋落点とは？

スケールの反対側には、永久萎凋点があります。永久萎凋点はヒマワリで実験的に測定され、-15 バール (-1500 kPa、Briggs and Shantz、1912、p. 9) と定義されました。これは、ヒマワリが萎凋し、一晩で回復できなくなる土壌ポテンシャルです。理論的には、水槽が空になり、膨圧が完全に失われ、植物が萎凋した状態です。ただし、-1500 kPa が必ずしもすべての植物の萎凋点であるとは限りません。多くの植物はさまざまな点で「萎凋」します。-1500 kPa よりもずっと早く永久的な損傷から身を守り始める植物もあれば、かなり後になってから始まる植物もあります。そのため、-1500 kPa は土壌の便利な基準点ですが、サボテンはおそらく -1500 kPa を気にせず、ポンデローサ松がその点で活動を停止することは決してないことに注意してください。したがって、異なる植物や作物に対して異なる意味を持つ可能性があります (詳細: M.B. Kirkham. Principles of Soil and Plant Water Relations、2005 年、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有意義な結論を導き出すには、土壌の種類について知っておく必要があります。

図8は、砂から粘土まで、最も一般的な土壌テクスチャクラスを示したグラフです。それぞれの土壌テクスチャは粒度分布が異なります。表2は、-1500kPa（永久萎凋点）において、各土壌テクスチャクラスの水分含有量が異なることを示しています。圃場保持力についても同様です。

表 2.土壌土質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、砂質埴壌土は圃場容量で 32% VWC を持つことができます (これは十分に水分を含んだ土壌です)。しかし、粘土の場合、32% VWC は永久萎凋点です。つまり、センサーを設置するときは土壌サンプルを採取して、土壌の質と土壌で何が起こっているかを確実に把握する必要があります。これは、土壌タイプに変化がある場合 (土壌プロファイルの変化またはサイト間の空間的変動) に特に重要です。水ポテンシャルは状況によって変化しないことに注意してください。これらすべての土壌タイプでは、粘土であれ砂であれ、-33 kPa は -33 kPa です。シルト質ローム土を中程度の質の土壌として見ると、-33 kPa での水分含有量は 27%、-1500 kPa での水分含有量は 13% です。一般的な嵩密度では、総間隙空間は約 50% です。それが満たされると、土壌は飽和状態になります。したがって、飽和状態から（圃場容量が-33 kPaであると仮定）、圃場容量に達するまで水の半分が排出されます。残った水の約半分は植物が利用できる水です。植物が利用可能な水をすべて吸収した後も、植物が利用できる水とほぼ同量の水が土壌中に残りますが、植物はそれを吸収できません。

 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水分含有量の間には関係があり、土壌水分保持曲線（水分放出曲線または土壌水分特性曲線と呼ばれることもあります）を使用して説明できます。図 9 は、3 つの異なる土壌の例の曲線を示しています。x 軸は対数目盛りの水ポテンシャル、y 軸は体積水分含有量です。土壌水分保持曲線は、各土壌に固有の物理的な指紋のようなものです。これは、水ポテンシャルと土壌水分含有量の関係が土壌ごとに異なるためです。この関係により、曲線のどこで土壌がどのように挙動するかを知ることができます。水は土壌をすぐに排水されるか、それとも根圏に保持されるかなどの重要な質問に答えることができます。土壌水分保持曲線は、植物の水分吸収、深部排水、流出などを予測するために使用される強力なツールです。この仕組みの詳細については、ここをクリックするか、Soil Moisture 201 をご覧ください。

 HYPROPは、土壌水分保持曲線を湿潤範囲で自動的に作成する装置です。HYPROPとWP4Cを組み合わせることで、土壌水分の全範囲にわたる保持曲線を作成できます。

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、以下の問いに答えてみてください：

• 土の中にどれだけの水が蓄えられているかを知る必要があるか？
• 水がどちらに流れるか知る必要があるのか？
• 植物に水が与えられるかどうかを知る必要があるか？
• 植物に必要な土中の水分量を知る必要があるか？
• 水やりのタイミングは必要か？

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、土壌水分に注目すべきです。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す。植物が水を得ることができるかどうかを知るには、やはり、水ポテンシャルを測定する必要があります。

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。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です。この仕組みの詳細については、次の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.

ヒレル ダニエル土壌物理学の基礎.Academic press, 2013.

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

*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

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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土壌水分を測定します。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、土質、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、体積土壌水分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。

表1.土壌水分センサー比較表

*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？

調査現場に設置される土壌水分センサーの数は、仮説を証明できるか完全に外してしまうかの分かれ目になります。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ます。

変動性を理解するのは難しい

研究対象地域内における土壌水分の変動は、土壌の質、植生被覆の量と種類、地形、降水量などの気象要因、管理方法、そして土壌水分特性（土壌中の水の移動速度）の違いによって生じます。研究者は、土壌水分の多様性を捉えるために必要なサンプル採取地点の数を把握するために、地形特性の変動を考慮する必要があります。。

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ります（Wilson et al.）。これは分かりやすい概念ですが、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、より複雑になります。

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します。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）を計算しました。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ます。

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ます。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ます（図11）。これにはいくつかの要因が考えられます。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ます。

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ます。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ます（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ります。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す。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ります（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

土壌水分量は時間的にも空間的にも非常に動的です。スポットサンプリングでこれらのダイナミクスをすべて捉えるのは労力がかかり困難ですが、一部の研究者はこの方法を選んでいます。環境科学の他の多くの分野と同様に、土壌水分挙動に関する最も深い洞察のいくつかは、現場センサーネットワークを用いた研究から得られています（Bogena et al., 2010; Brocca et al., 2010）。ほとんどの用途において、現場での連続測定を用いることで、土壌水分量に関するより優れた理解が得られます。

このトピックに関するより詳細な説明は、以下の記事を参照してください。

参考文献

バローニ、G.、B.オルトゥアーニ、A.ファッキ、C.ガンドルフィ。"トウモロコシ作付圃場における表層土壌水分の時空間変動に対する植生と土壌特性の役割".Journal of Hydrology 489 (2013)：148-159.記事のリンク

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）。

Famiglietti, James S., Dongryeol Ryu, Aaron A. Berg, Matthew Rodell, and Thomas J. Jackson."Field observations of soil moisture variability across scales.".Water Resources Research 44, no.1 (2008).記事リンク（オープンアクセス）。

García, Gonzalo Martínez, Yakov A. Pachepsky, and Harry Vereecken."Effect of soil hydraulic properties on the relationship between the spatial mean and variability of soil moisture.".Journal of hydrology 516 (2014)：154-160.記事のリンク

Korres, W., T. G. Reichenau, P. Fiener, C. N. Koyama, H. R. Bogena, T. Cornelissen, R. Baatz et al. "Spatio-temporal soil moisture patterns-A meta-analysis using plot to catchment scale data.".Journal of hydrology 520 (2015)：326-341.記事リンク（オープンアクセス）。

Loescher, Henry, Edward Ayres, Paul Duffy, Hongyan Luo, and Max Brunke."Spatial variation in soil properties among North American ecosystems and guidelines for sampling designs.".PLOS ONE 9, no. 1 (2014): e83216.記事リンク（オープンアクセス）。

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Vereecken, Harry, J. A. Huisman, Yakov Pachepsky, Carsten Montzka, J. Van Der Kruk, Heye Bogena, L. Weihermüller, Michael Herbst, Gonzalo Martinez, and Jan Vanderborght."On the spatio-temporal dynamics of soil moisture at the field scale.".Journal of Hydrology 516 (2014)：76-96.記事のリンク

Wilson, David J., Andrew W. Western, and Rodger B. Grayson."土壌水分の時間的・空間的観測における変動源の特定と定量化".Water Resources Research 40, no.2 (2004).記事リンク（オープンアクセス）。

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します。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ります。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します。

測定エラーを避けるには

高品質の体積土壌水分測定を行うための一般的な課題は3つあります。

1. 土壌水分センサーが攪乱されていない土壌に設置されていることを確認する。
2. 測定体積内の根やバイオポアへの障害を最小限に抑える
3. プローブとその周囲への優先的な水の流れをなくす。

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でしょうか。 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します。

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ある。

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ます。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困難です。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ります。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です。 (注：新しい TEROS センサー設置ツール（ボーリング孔用）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ですが、実際にトレンチを掘るのは大変な作業です。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ます。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ます。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ります。

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にプローブを設置する方法は、重機を必要とせず、トレンチ法の多くの利点を享受できます。この方法は、BogenaらによってEC-5プローブで使用されました。彼らは、複数の深度に同時にプローブを設置するための装置を開発しました。トレンチ設置と同様に、エッジ効果を回避するため、孔はサンプリング前の密度とほぼ同じになるように充填および再充填する必要があります。

オーガー掘削では土壌層が撹乱されますが、敷地への影響はトレンチ掘削に比べるとごくわずかです。トレンチは長さ約60～90cm、幅40cmです。小型ハンドオーガーとTEROS掘削孔設置ツールを用いた掘削では、直径わずか10cmの穴しか開けられません。これは、トレンチ面積のわずか2～3%に相当します。敷地の撹乱規模が最小限に抑えられるため、撹乱されるマクロポア、根、植物が少なくなり、敷地はより早く自然の状態に戻ることができます。さらに、設置ツールを小さな掘削孔内で使用すると、土壌とセンサーの接触が良好になり、分離する土壌の量が少なくなるため、地層を分離して適切な土壌密度に再充填することがはるかに容易になります。

複数穴の設置で故障を防ぐ

各深度ごとに別々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にある未撹乱の土壌に設置されます。他の方法と同様に、補充されたオーガーホールに水が優先的に流入しないように注意してください。ただし、1つのホールで故障が発生しても、すべての測定を1つのホールで行った場合のように、すべてのデータが失われることはありません。

この方法の主な欠点は、断面の深さごとに穴を掘らなければならないことです。しかし、穴は小さいので、通常は簡単に掘ることができます。

シングルホールの設置は最も望ましくない

単一の穴を掘削し、その底にセンサーを1つ設置し、その後穴を詰め直し、詰め直した土壌に希望の深さでセンサーを設置しながら、断面水分を測定することは可能です。しかし、詰め直した土壌は、嵩密度が撹乱されていない状態と異なる場合があり、また、土壌を掘削、混合、詰め直すことで断面形状が完全に変化するため、この方法はここで紹介した方法の中で最も望ましくありません。それでも、単一の穴への設置でも、目的によっては十分に満足できる場合があります。設置場所が周囲の土壌と平衡状態になり、根が土壌に生育することを許容すれば、撹乱された土壌の相対的な変化は周囲の変化を反映するはずです。

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、その実現方法について解説しています。学ぶべきこと：

• 優れた土壌水分データとはどのようなものか
• 様々な設置上の問題がどのようにデータに現れるか（エアギャップ、センサーの緩み、土質の変化、深さの交差など）。
• 正確な設置方法
• 新しい TEROS Borehole Installation Tool一貫性を向上させながら、エアギャップと現場の乱れを減らす
• 正しく設置するために他の科学者が行っていること

サイト妨害がデータに与える5つの影響とその対策

土壌水分の測定において、現場における撹乱は避けて通ることができません。私たちは、たとえ現場の土壌がかなり撹乱されていたとしても、土壌センサーは土壌水分に関する情報を的確に提供してくれるだろうと考えがちです。あるいは、針は撹乱されていない土壌に挿入されるため、センサー周辺の土壌特性が変化しても問題ないと考えるかもしれません。しかし実際には、現場における撹乱は大きな課題であり、土壌水分データへの影響を軽減する方法を駆使する必要があります。以下では、現場における撹乱について考察し、研究者がデータの不確実性に対処するために設置方法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においては、代表的な測定値を得るために、土壌への撹乱を最小限に抑えることが重要です。非撹乱法としては、衛星、地中レーダー、COSMOSなどが挙げられます。しかし、これらの方法には課題があり、水分含有量の測定に単独で用いるには実用的ではありません。衛星は設置面積が大きく、一般的に土壌表面5～10cmしか測定できず、解像度と測定頻度が低いという欠点があります。地中レーダーは解像度は高いものの高価であり、下限深度が不明な場合はデータの解釈が困難です。COSMOSは地上設置型の非侵襲性中性子法で、衛星よりも深く、直径最大800mの範囲を連続的に測定します。しかし、多くの用途においてコストが高すぎる上に、植生と土壌の両方の影響を受けやすいため、研究者は2つの信号を分離する必要があります。これらの方法はまだ土壌水分センサーに取って代わるほどではありませんが、土壌水分センサーが提供する地上データと併用することで高い効果を発揮します。

1.妨害の結果は...妨害である。

研究地が撹乱されると、土壌が自然の状態に戻るまでには最長 6 か月、あるいはそれ以上かかることがあります。影響要因には、降水量（湿潤気候は乾燥気候よりも早く「正常」に戻ります）、土壌の種類、土壌密度などがあります。研究者は、平衡状態に戻るのを待つ間、最初の 2 ～ 3 か月のデータを無視するのが一般的です。研究者が掘削を行う際、成熟した草や植物は取り除かれ、その後植え替えられます。これらの植物は再定着が困難な場合が多く、大規模な撹乱が発生すると、かなりの数の植物がうまく生育しないか、枯死してしまいます。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ります。撹乱する表面積を少なくするあらゆる方法は、植物の枯死率を低減し、結果を改善するのに役立ちます。

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、ミクロポアとマクロポアに不均衡な影響を与えます。ミクロポネアとマクロポネアとは微細な毛細血管のことで、土壌の構造を形成し水の移動を可能にします。土壌の移動や圧縮はミクロポネアとマクロポアを破壊し、水の移動速度を低下させ、異なる経路をたどります。これは、変質帯下の涵養にも影響を与えます。土壌の除去量が少ない施工方法であれば、この問題を最小限に抑えることができます。

3.土の密度を正しくするのは難しい

土壌の詰め直しが緩すぎると、圧縮とは逆の現象が発生します。この場合、ボーリングホールやトレンチの壁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領域に流入することになります。この過剰な水は、センサーの針が挿入される未撹乱の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ます。この問題に対処するには、研究者は適切な密度になるまで時間を取って慎重に穴を詰め直す必要があります。これは、水たまりを防ぐために、表面にわずかな盛り上がりができるまで、土を追加し、層状に詰めることで行われます。表面が平坦な場合、土壌は時間の経過とともに窪みを形成する可能性があります。大きな穴はかなりの大きさの窪みにつながる可能性があり、それが優先的に水を集め、センサー周辺の土壌への水の浸透方法を変えます。

4.水平層の混在が水文学の混在につながる

設置ピットの再梱包中に土壌層を混ぜると、土壌の水理特性が大幅に変わることがあります。たとえば、土壌に砂質の A 層と粘土質の B 層がある場合、層を逆にしたり混ぜたりすると明らかな結果が生じます。土壌層には区別しやすいものがありますが、他の土壌タイプでは層を区別するのが難しい場合があります。このため、土壌は慎重に除去し、層ごとに戻して土壌水文学の変化を防ぐ必要があります。研究者は、設置ピットの周囲に防水シートを敷き、土壌を 1 層ずつ慎重に除去し、シートの上に順番に置くことでこれを実現できます。これらの層は混ざりやすいため、作業開始前に層を覚えておく方法を準備しておくと役立ちます。センサーの設置後、研究者は土壌層を逆の順序でピットに戻し、各層の間が適切な密度になるように再梱包する必要があります。

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と、特に成熟した低木や樹木が生い茂る地域で掘削する場合、大きな根系が破壊される可能性があります。根は土壌中の水分を枯渇させる主なメカニズムであるため、根が枯れると、研究地域全体における土壌水分測定値の代表性が変わってしまいます。センサー付近の根がすべて枯れてしまうと、測定値は実際よりも水分量が多いと示す可能性があります。研究者は、根系への影響が少ないよう戦略的に配置されたボーリングホールを使用することで、この問題を軽減できます。

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一つは、研究者が土壌断面全体を把握できるため、硬盤層、地層、土壌の種類、土壌構造や地層構造をより容易に特定できることです。しかし、大きなトレンチを掘ると、大量の土壌が除去されます。そして、その土壌をすべて詰め直すと、多くのマクロポアが潰され、土壌に水理学的不連続性が生じる可能性が高まり、水が人工的にセンサーから逸らされたり、センサーに向けられたりする危険性が高まります。研究者が時間を節約するためにバックホーを使用すると、状況はさらに悪化します。バックホーの履帯とパッドは、特に土壌が湿っている場合は土壌を圧縮し、大きなスコップは植物や根系を引き裂いてしまいます。

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、小さなボーリング孔を使用するため、土壌の撹乱が少ないという点で魅力的です。しかし、プロファイルプローブは直線形状であるため、土壌とセンサーの良好な接触には、完全に垂直な壁が必要です。しかし、ボーリング孔の側面は、実際には完全に垂直になることは稀です。土壌の壁には曲線や窪みがあります。直線状のプロファイルプローブでは良好な接続性が得られないことがほとんどで、設置時に空隙や優先流に悩まされることがよくあります。プロファイルプローブを使用するユーザーは、粘性の泥水で埋め戻すことでこれを補おうとすることがよくありますが、この方法にも、外来土壌の混入や、土壌の乾燥時に生じる亀裂による不正確さなど、課題が伴います。

ボアホール工法が勝つ理由

ボーリング孔は土壌層を撹乱しますが、敷地への影響はトレンチ設置に比べるとほんのわずかです。トレンチは長さ約60～90cm、幅40cmですが、小型ハンドオーガーとTEROSボーリング孔設置ツールを使用してボーリング孔を設置すると、直径わずか10cmの穴が作られます。これは、トレンチ面積のわずか2～3%です。敷地の撹乱規模が最小限に抑えられるため、撹乱されるマクロポア、根、植物が少なくなり、敷地をより早く自然の状態に戻すことができます。さらに、設置ツールを小さなボーリング孔内で使用すると、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、層位層を分離して適切な土壌密度に再詰め込みすることがはるかに容易になります。

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。

土壌水分データへの現場撹乱の影響を軽減する鍵は、撹乱の規模を制御することです。大規模な掘削はより広い範囲に影響を与えますが、小規模なボーリング掘削は周囲の植物や土壌の水分特性への影響がはるかに少なく、研究サイトをより迅速に自然状態に戻すことができます。

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、土壌の種類ごとに固有の物理的な指紋のようなものです。研究者は、特定の水分条件における特定の土壌中の水がどうなるかを理解し、予測するために、この曲線を活用します。水分放出曲線は、土壌の水分含有量がどの程度になると永久萎凋状態になるのか、どのくらいの期間灌漑を行うべきなのか、あるいは水は土壌を素早く通過するのか、それとも根圏に留まるのかといった重要な疑問に答えてくれます。これらの曲線は、植物の水分吸収、深層排水、流出などを予測するための強力なツールです。

土壌水分放出曲線とは何か？

水ポテンシャルと体積水分含有量の間には関係があり、グラフで表すことができます。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が形成されます。土壌水分放出曲線の形状は土壌ごとに異なり、土壌の性状、嵩密度、有機物量、間隙構造の実際の構成など、多くの変数によって影響を受けます。

図13は、3種類の土壌の曲線の例を示しています。X軸は対数目盛りの水ポテンシャル、Y軸は体積水分含有量です。土壌水分含有量と水ポテンシャル（または土壌吸引力）の関係性により、研究者は特定の土壌タイプにおける水分の利用可能性と水の移動を理解し、予測することができます。例えば、図13では、土壌タイプごとに永久萎凋点（右側の縦線）が異なる水分含有量で発生することがわかります。細砂壌土は体積水分含有量5%で永久萎凋状態になりますが、シルトロームは体積水分含有量15%近くで永久萎凋状態になります。

拡大変数と集中変数

土壌水分放出曲線を理解するには、外延特性と強度特性の違いを説明する必要があります。多くの人は土壌水分を、土壌水分量という一つの変数のみで捉えています。しかし、環境中の物質やエネルギーの状態を記述するには、2種類の変数が必要です。外延特性変数は、物質やエネルギーの範囲（または量）を記述します。強度特性変数は、物質やエネルギーの強度（または質）を記述します。

表1.エクステンシブ変数とインテンシブ変数の例

土壌水分量は示量変数です。環境中に存在する水の量を表します。土壌水ポテンシャルは示量変数です。環境中に存在する水の強度または質（そして多くの場合、利用可能性）を表します。この仕組みを理解するには、熱における示量変数と示量変数を例に考えてみましょう。熱量（示量変数）は、部屋に蓄えられる熱の量を表します。温度（示量変数）は、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します。

図14は、北極圏の大型船と、火で加熱されたばかりのホットロッドを示しています。どちらの熱量が高いでしょうか？興味深いことに、北極圏の船の熱量の方がホットロッドよりも高いのですが、温度が高いのはホットロッドの方です。

ホットロッドを船に接触させた場合、エネルギーの流れを左右する変数は何でしょうか？ 強度変数である温度がエネルギーの移動を左右します。熱は常に高温から低温へと移動します。

熱と同様に、土壌水分量は単なる量です。水がどのように移動するか、あるいは植物が快適に利用できる水量（植物が利用できる水量）はわかりません。しかし、強度変数である土壌水ポテンシャルは、水の利用可能性と移動を予測します。 「研究者対象 水ポテンシャル完全ガイド 」をダウンロードしてください。

放湿曲線のデータはどこから来るのか？

油水分放出曲線は、現場または実験室で作成できます。現場では、土壌水分量と土壌水ポテンシャルは土壌センサーを用いてモニタリングされます。

METERの取り扱いが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)に送ります。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。

実験室と現場での水分放出曲線の比較を見る

土壌水分放出曲線の使い方

土壌水分放出曲線は、外延的変数である体積水分含量と、強度変数である水ポテンシャルを結び付けます。外延的変数と強度変数をグラフ化することで、研究者や灌漑担当者は、土壌水がどこに移動するかといった重要な疑問に答えることができます。例えば、下の図15では、3つの土壌がそれぞれ異なる土壌層で水分含量15%の場合、ローム質細砂層の水分は、より負の水ポテンシャルを持つ細砂質ローム層に向かって移動し始めます。

土壌水分放出曲線は、灌漑のタイミング、例えばいつ水を出し、いつ止めるかといった判断にも活用できます。そのためには、研究者や灌漑担当者は、体積水分含有量（VWC）と水ポテンシャルの両方を理解する必要があります。VWCは、栽培者に灌漑に必要な水量を示します。一方、水ポテンシャルは、その水が作物にどれだけ利用可能か、そしていつ灌漑を止めるべきかを示します。その仕組みは以下のとおりです。

図16. 3種類の土壌における典型的な土壌水分放出曲線図16は、ローム砂、シルトローム、粘土質土壌の典型的な土壌水分放出曲線を示しています。-100 kPaでは、砂質土壌の水分含有量は10%を下回ります。しかし、シルトロームでは約25%、粘土質土壌では40%近くになります。圃場容量は通常-10～-30 kPaです。そして、永久萎凋点は約-1500 kPaです。この永久萎凋点よりも乾燥した土壌は、植物に水を供給しません。また、圃場容量よりも湿った土壌では、水は土壌から排出されます。研究者や灌漑担当者はこれらの曲線を見て、それぞれの土壌タイプに最適な水分含有量レベルを判断できます。

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）、および永久萎凋点（赤）を示しています。これらの曲線を用いることで、研究者/灌漑担当者はシルトローム土壌の水ポテンシャルを-10～-50kPaの範囲に保つ必要があることがわかります。また、これらの水ポテンシャルに対応する水分含有量から、灌漑担当者はシルトローム土壌の水分含有量を約32%（0.32 m³/m³）に保つ必要があることがわかります。土壌水分センサーは、この最適値を超えたり下回ったりした際に警告を発することができます。

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ます。

土壌水分による灌漑の改善について詳しくはこちら

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と言えます。

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ます。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ます。

お待ちください、まだあります

土壌水分放出曲線は、この記事の範囲を超えたさらに多くの洞察と情報を提供します。研究者は、土壌の収縮膨張容量、陽イオン交換容量、土壌比表面積など、多くの問題を理解するためにこの曲線を利用しています。次のビデオでは、土壌水分の専門家であるレオ・リベラが、水分放出曲線を用いて個々の土壌の水分挙動を分析する方法について、より詳細な情報を提供します。

付録

このセクションでは

1. TDRと静電容量センサーの比較
2. ECH2O センサー vs.TEROS センサー
3. 土壌水分データ収集：8つのベストプラクティス

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ー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、土壌水分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です。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ます。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ます。

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ません。

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ます。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す。コンデンサーの充電の様子を図1に示します：

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と関係します。

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、次式で計算できます。

ここで、 Aはプレートの面積、Sはプレート間の間隔です。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）となります。

土壌プローブは平行平板コンデンサではありませんが、式7に示される関係は、平板の形状に関係なく有効です。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）です。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）の関数のみとなります。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です。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ります。

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ます。 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です。 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す。キャパシタンス・センサーの回路は、体積土壌水分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が火星の土壌水分測定にキャパシタンス技術を使用したほどです。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す。

TDRと同様、キャパシタンス・センサも取り付けは簡単です。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ります。

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土壌水分を求めるものです。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ますが、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ません。一般的に、どちらの技術を用いても体積土壌水分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です。新しいTEROS センサー設置ツール（ボーリング孔用）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します。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年代に土壌水分測定に静電容量技術が初めて用いられたとき、科学者たちはすぐに、電磁場の充電と放電の速さが測定の成功を左右することを認識しました。低周波数では、土壌塩分濃度が測定値に大きな影響を与えました。時が経つにつれ、この新たな理解と電子機器の速度向上が相まって、当初の静電容量方式を精度の高いものに調整できるようになりました。METERセンサーなどの最新の静電容量センサーは、土壌塩分濃度が測定値に与える影響を最小限に抑えるために、高周波（70MHz）を使用しています。

静電容量センサーの回路は、体積土壌水分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が火星の土壌水分測定にMETERの静電容量技術を使用したほどです。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ります。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ます。

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 製品ラインでは、キャリブレーション技術、取り付けツール、およびより優れた原材料の進歩を活用して、より耐久性があり、正確で、取り付けが簡単で迅速で、一貫性があり、強力で直感的なほぼリアルタイムのデータ ロギングおよび視覚化システムにリンクされたセンサーを製造しています (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します。

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。

大容量の影響容積： TEROS 11/12センサーの影響容積は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。

設置ミスの低減： 新しい TEROS Borehole Installation Toolは、設置ミスを防ぎ、あらゆる土壌タイプ（硬質粘土を含む）への均一かつ完璧な挿入を実現し、現場への影響を最小限に抑えます。センサーは側壁に対して完全に垂直に設置され、均一な圧力で設置された後、エアギャップを防ぐためにゆっくりと圧力を解放します。

検証基準：TEROSセンサーの再現性は、精度検証基準で確認できます。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取り付け、ロガーに接続するだけです。正しい範囲内であれば、センサーは使用可能です。

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

設置のばらつき、センサー間のばらつき、センサー検証といった、高精度計測を阻む要因を排除するため、私たちはTEROSの新しいセンサーラインを開発しました。TEROS土壌水分センサーは、ECH20と同じ信頼性の高い技術を採用していますが、ECH20ラインをさらに進化させ、データセット全体の精度を最適化しています。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を最小限に抑える性能、高い測定範囲、そして高度なデータロギングを組み合わせることで、お求めやすい価格で、最高の性能、精度、使いやすさ、そして信頼性を実現します。

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、研究期間全体を通して有用なフィールドデータを取得することです。優れたデータセットとは、科学者が結論を導き出したり、特定の用途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データセットです。しかし、多くの研究者が痛いほど実感しているように、優れたデータを取得することは、センサーを設置して現場に放置し、正確な記録を得るために現場に戻るほど単純ではありません。事前に計画を立てず、頻繁にデータを確認し、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けていたり、センサーケーブルがネズミに損傷されていたり、あるいはさらに悪いことに、結果を解釈するのに十分なデータがないなど、不快な驚きに遭遇することがよくあります。幸いなことに、データ収集におけるほとんどの事故は、高品質の機器、慎重な事前検討、そして少しの準備があれば回避できます。

ミスをすれば必ず、費用がかさむ

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ります。

• サイトの特性：サイト、その変動性、またはデータ解釈の指針となるその他の影響力のある環境要因について十分に知られていない。
• センサーの設置場所：センサーの設置場所：研究の目標にそぐわない場所にセンサーが設置されている（例：土壌の場合、センサーの地理的位置と土壌プロファイル内の位置の両方が研究課題に該当しなければならない）
• センサーの取り付け：センサーが正しく取り付けられていないため、不正確な測定値になる。
• データ収集：センサーとロガーが保護されておらず、継続的かつ正確なデータ記録を維持するために定期的にデータがチェックされていない。
• データの普及：他の科学者がデータを理解したり、再現したりすることができない。

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ましょう。

設置前の準備で時間とコストを節約

現場に行く前に研究室でセンサーをセットアップしておくと、研究者はセンサーの仕組みを理解するのに役立ちます。例えば、研究者は様々な土壌の種類で土壌センサーの測定値を取得することで、様々な状況における土壌水分値を的確に把握できます。現場に行く前にセンサーの状態を把握しておくことで、研究者は正しい設置方法や設置にかかる時間を把握し、センサーの測定値が誤っているなどの問題を診断することができます。この段階で、設置に必要な工具や機器を検討することができます。結束バンド、ペンチ、マーカー、懐中電灯、電池などの重要な工具が詰まった専用の設置ツールボックスを用意しておけば、現場への往復にかかる時間を節約できます。

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は、ロガーのプログラム記述方法を確実に理解するために、2週間前にプログラミング言語を学習しておく必要があります。ZL6のようなプラグアンドプレイ型のクラウドデータロガーであっても、研究場所が携帯電話基地局の電波圏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す。

計画が最も重要

研究者は地図を使って現場計画を立て、設置には通常想定の 2 倍の時間がかかるということを覚えておく必要があります。現場計画を立てることで、特に時間に追われているときに人的ミスが大幅に減ります。研究現場に到着すると、科学者は計画に従って設置を行い、作業の途中で地図に調整内容を記録できます。この手順により、将来、科学者自身、または他の同僚が問題のあるセンサーを見つけて掘り起こす必要が生じた場合に、大幅な時間の節約になります。問題が発生した場合に備えてバックアップ プランを用意しておくことも重要です。たとえば、特定の深さの土壌が岩だらけだった場合はどうでしょうか。または、気象観測所や湿度センサーを 2 メートルの場所に取り付けることができない場合はどうなるでしょうか。研究者は、当初の計画がうまくいかなかった場合の対処法について考えておく必要があります。なぜなら、多くの場合、数週間または数か月間は現場に戻れないことになるからです。

立地選定が研究を左右する

場所を選択する前に、科学者はデータ収集の目的を明確に定義する必要があります。データをどのように活用するかを明確にすることで、データが正しい疑問に答えられるようになります。目的が明確になれば、研究者はセンサーをどこに設置すべきかを理解できるようになります。

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大きな問題は、変動性です。例えば、土壌を研究する科学者は、傾斜、方位、植生の種類、深度、土壌の種類、土壌密度といった変動要因を理解する必要があります。樹冠を研究する場合は、植物被覆の不均一性を理解し、それに応じてセンサーを配置する必要があります。研究者がデータを比較する場合は、センサーの配置に一貫性を持たせる必要があります。つまり、地上高または地下深度は、サイト間で一貫している必要があります。すべての変動要因を監視することは不可能であるため、研究者は最も重要な要因を監視する必要があります。変動性の詳細については、「土壌水分センサー：必要な数」をご覧ください。

場所の選定も実用的でなければなりません。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は、落雷時に電位差が生じる原因となる長いケーブル配線を避けるようにしてください。センサーを簡単に接続できる場所を選び、余分なケーブルはポールに結束バンドで固定し、ケーブル固定用フックでケーブルを固定することで、ケーブルがロガーから引き抜かれるのを防げます。センサーの抜けや接続不良は、研究にとって致命的な問題とな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ります。そ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します。さらに、土壌温度や微気候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ます。ATMOS 41のような複合型気象計測ユニットは、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基準となる実測データ（グラウンディングトゥルース）として重要な役割を果たします。

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ます。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す。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す。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す（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、各センサーには、センサーの種類、設置深度、その他重要と思われる情報をラベルで必ず記入してください。数百個のセンサーを設置する研究者は、センサーにバーコードを付けるために電子ラベル装置を購入することもありますが、テープと油性マーカーでも問題ありません。ラベルはデータロガーの中に収納し、天候から保護してください。

メンテナンス＝安心

研究において、センサーを何としても保護することは極めて重要です。研究者は、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電線管に通し、データロガーの支柱まで約60cm（2フィート）通すことが重要です。これにより、ネズミやシャベルによる損傷を防止できます。また、ケーブルはUV耐性のある結束バンドで支柱にしっかりと固定し、データロガーに引っ張られないようにしてください（張力緩和機能があることを確認してください）。現場訪問時には、データロガーのシールにひび割れがないか確認することもお勧めします。データロガーのシールにひび割れがある場合は、耐候性が低下している可能性があるため、交換する必要があります。カスタマーサポートにご連絡いただければ、無料で交換いたします。

さらに、研究者は問題のトラブルシューティングを行うために、できるだけ頻繁に実際のデータを確認するべきです。ある科学者は、同じ高度にある量子センサーのデータと比較することで、日射計のデータに誤りがあることを発見しました。実際の値を確認することで初めて、鳥が太陽放射センサーを汚し、研究の大部分で使用できなくなっていたことが判明しました。結局、量子センサーのデータを計算しなければならなくなり、その精度は劣っていました。データを定期的に確認することで、研究プロジェクトに悪影響を与える可能性のある問題を防ぐことができます。新しいZENTRA CloudとZL6により、研究者は毎日何度でもデータのトラブルシューティングとグラフ化を行うことができます。わずか2～3分で傾向を把握したりエラーを発見したりすることで、数週間分のデータ損失を回避できる可能性があります。

タイミングがすべて

ZL6は、従来機種と同様にデータを平均化します。したがって、研究者が平均値を必要としない場合は、より頻繁にデータを記録する必要があります。しかし、大量のデータを生成することが必ずしも目標達成につながるわけではありません。重要なのは、研究仮説に関連する時系列を捕捉し、理解することです。土壌水分の年間傾向を把握しようとして5分間隔のデータを取得すると、土壌水分は1分単位ではそれほど変化しないため、大量のデータが生成されることになりますが、それらは役に立ちません。そのため、研究者はデータを間引くための後処理を余儀なくされます。しかし、研究の目的が土壌への水の浸透開始の瞬間を知ることである場合、1分間隔以下のデータを取得することが不可欠です。このような研究者には、Campbell Scientificのデータロガー、または瞬間的な変化に基づいて読み取りイベントをトリガーできるデータロガーが必要です。しかし、多くの人は必要なデータ量を過大評価しがちです。太陽放射を測定する場合、15分間隔で十分でしょう。蒸発散量については、30分ごとのデータを記録するのが一般的です。このような場合や他の多くのケースでは、5分ごとといった短い記録間隔ではおそらく頻繁すぎるでしょう。

研究者が忘れがちなもう一つの重要なステップは、すべてのデータロガーの計測周期を一致させることです。ある研究者が15分ごとにデータを読み取る2台のデータロガーを所有し、別の研究者が1時間ごとにデータを読み取るロガーを設置した場合には、1時間ごとのデータしか使用できません。

データ解釈-既成概念にとらわれない

科学者がデータに誤りを発見したとしても、必ずしもセンサーの故障が原因ではありません。興味深いセンサーの測定値は、土壌や環境で何が起こっているかを物語ることがよくあります。データの解釈は時に困難で、研究者は現場に戻って実際に何が起こっているかを理解する必要があるかもしれません。例えば、図22では土壌水分センサーが故障しているように見えますが、科学者が詳しく調査したところ、蒸発散量が浸透量を上回っていることがわかりました。

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ない発想が必要になる場合があります。データを様々な方法で分析してみるのも良いでしょう。図23は、従来の時間軸に沿ったグラフ化手法を示しています。図24では、同じデータを全く異なる方法で表示しています。

研究者はまた、水分放出曲線を用いて、土壌水分データを水ポテンシャルに変換することもできます（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ります。

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ません。

データを活用する

実験の過程で、多少時間がかかっても正確さを求めるという姿勢は、最終的には時間や労力、そして費用の節約という大きな利益をもたらします。準備、計画、明確な研究目標の設定、適切な場所の選定、設置、メンテナンス、タイミング、そして正しいデータ解釈はすべて、研究プロジェクトを危うくする可能性のある典型的なデータミスを防ぐのに大いに役立ちます。最終的な結果はどうでしょう？ 出版可能で意思決定に活用できるデータです。

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