貢献者

なぜ水ポテンシャルを測定するのか？

ある生態学者が、斜面の向きが植物の利用可能な水分に与える影響を調べるため、大規模な土壌水分センサーネットワークを設置した。彼は膨大な量の土壌水分データを収集したが、最終的に植物が利用可能な水分量を知ることができず、挫折した。

不満を抱いているのは彼だけではない。正確で安価な土壌水分センサーによって、土壌水分の測定は正当な意味で一般的になったが、多くの人が発見したように、優れたハンマーがすべての土壌水問題を釘にするわけではない。含水率は水の量を示すだけである。透水係数は水の移動速度を示す。しかし、水ポテンシャルは、水が植物に利用可能かどうか、水が移動するかどうか、水がどこへ行くかを示す。

集中的な変数は、サイズや状況によって変化しない

水ポテンシャルを理解し、なぜそれが必要なのかを理解す 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の水分を見ている。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。

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1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。どちらが熱量が大きいだろうか？興味深いことに、北極にある船の方が熱棒よりも熱量が大きいが、温度が高いのは熱棒の方である。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がエネルギーの動きを支配する。熱は常に高温から低温へと移動する。

インテンシブ変数とエクステンシブ変数の詳細については、こちらをご覧ください。

水分量は水の動きを予測しない

熱量と同様、水分量も量である。広範な変数だ。サイズや状況によって変化する。次のパラドックスを考えてみよう：

• 体積含水率がかなり低い土壌でも、植物が利用できる水分は十分にあり、逆に含水率が高い土壌では、植物が利用できる水分はほとんどないこともある。
• 重力によって水は地表に引き込まれるが、水は水位から土壌に移動する。
• 平衡状態にある土壌の隣接する2つのパッチは、含水率が大きく異なることがある。

このようなケースをはじめ、多くの場合、含水量データは水の動きを予測するものではないため、混乱を招く。水ポテンシャルは水のエネルギー状態を測定するため、直感では理解できない水の動きを説明することができる。気温が人間の快適度を決めるように、水ポテンシャルは植物の快適度を決める。水ポテンシャルがわかれば、どのような環境でも植物がよく育つか、ストレスを受けるかを予測することができる。

水ポテンシャルが植物の快適さを決める

土、粘土、砂、鉢植え用土、その他の培地はすべて保水性が異なるため、含水率は植物の「快適さ」の指標にはならない。含水率30％の砂を想像してみてください。砂は表面積が小さいため、植物の最適な生育には湿りすぎ、根への通気性が不足し、飽和状態に近い状態になります。同じ含水率30％のきめの細かい粘土を考えてみよう。粘土の表面が水を結合し、植物が利用しにくくなるため、粘土は湿っているように見えるだけで、植物にとって最適な「快適さ」をはるかに下回っているかもしれない。

水ポテンシャルの測定は、植物が利用可能な水分を明確に示すもので、水分含有量とは異なり、植物の最適な水分は、非常に湿った側の約-2～5kPaから、最適な水分の乾燥した側の約-100kPaまでという簡単な基準尺度がある。それ以下では植物は水分不足になり、-1000kPaを超えると苦しみ始める。植物にもよるが、-1000～-2000kPa以下の水ポテンシャルでは、永久的な枯れを引き起こす。表1は、いくつかの種類の作物に対する容易な基準スケールを示している。植物は、この水ポテンシャルの快適な範囲内に保たれることで、ストレスから解放され、収量が増える。

ほとんどの用途では、水ポテンシャルと含水率の両方が必要とされる。

植物の利用可能な水分の指標としては、含水率よりも水ポテンシャルの方が優れているが、ほとんどの状況では、水ポテンシャルセンサーと 土壌水分センサーの両方を使用することが有用である。

水ポテンシャルの強度測定は、貯水量や必要水量には直接結びつかない。含水量の情報は、灌漑管理や水収支調査などの用途でも必要とされる。詳しくは"いつ水をやるか-二重測定が謎を解く".

ウォーター・ポテンシャル101を見る

このウェビナーでは、ダグ・コボス博士が水ポテンシャルと 含水量の違いを説明し、水ポテンシャルの理論、応用、主要な構成要素、さらに水ポテンシャルが研究者や灌漑管理に与える影響について論じる。

水ポテンシャルの定義

水ポテンシャルとは、試料から純粋な自由水の基準プールに無 限小量の水を運ぶのに必要な、水の量あたりのエネルギーのことである。この意味を理解するために、土壌サンプルの水をコップ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、土壌の水は溶質によって希釈された表面に結合しており、圧力や張力がかかっている。実際、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、エネルギーを消費することによってのみ取り出せる。土壌水ポテンシャルは、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。

土壌水ポテンシャルは微分特性である。測定に意味を持たせるためには、基準値が指定されなけれ ばならない。通常指定される基準は、土壌表面の純粋な自由水である。この基準の水ポテンシャルはゼロである。環境中の水ポテンシャルは、ほとんどの場合ゼロより小さい。

水ポテンシャルは2つの重要な質問に答える

1.水の動き

水は常に高い電位から低い電位へと流れる。これは熱力学の第二法則であ り、エネルギーは集中変数の勾配に沿って流れる。水は、図3に示されるように、その位置が平衡に 達するまで、高いエネルギーの位置から低いエネル ギーの位置へと移動する。例えば、土壌の水ポテンシャルが-50 kPaであった場合、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。

2.植物の水の利用可能性

液体の水は、土壌から根を通り、植物の木部を通って葉に移動し、最終的に葉の基底膜下空洞で蒸発する。この流れの原動力は水ポテンシャル勾配である。したがって、水が流れるためには、葉の水ポテンシャルが土壌の水ポテンシャルよりも低くなければならない。図4では、土壌は-0.3MPaで、根はそれよりわずかにマイナスの-0.5MPaである。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、その水は木部を通って上昇し、葉から排出される。そして-100MPaの大気が、この勾配を生み出しているのである。

灌漑業者や科学者は、植物の水の利用可能性を理解するために、水位センサーと 含水量センサーを併用している。図5では、含水率がどこで低下し、何パーセントで植物がストレスを感じ始めるかを観察することができる。 また、土壌の水分が多すぎる場合、水ポテンシャルセンサーが植物のストレスを感知し始める水量を超えていることを認識することも可能である。 この情報を使って、研究者は体積含水率12％から17％を植物の最適範囲と特定することができる。 この範囲を下回ったり上回ったりすると、水が少なすぎたり多すぎたりすることになる。

土壌の水ポテンシャルが植物の水利用可能性をどのように示すかについては、「いつ水をやるべきか：二重測定が謎を解く」を参照。

水ポテンシャルの名称、範囲、単位

図6は、異なる範囲を測定するさまざまな水ポテンシャル測定器があることを示しています。土壌水ポテンシャルの全範囲を測定するために METERLABROS の測定器をどのように組み合わせることができるかをビデオでご覧ください。水ポテンシャルの測定方法と、どの測定器がどのような目的に使用されるかについては、こちらをご覧ください。

水ポテンシャルは、水張力、土壌吸引力、土壌間隙水 圧などと呼ばれることが多い。通常、土壌の水ポテンシャルを表すには、メガパスカル（MPa）、キロパスカル（kPa）、バール、メートル（_mH2O）、センチメートル（_cmH2O）、ミリメートル水（_mmH2O）などの圧力の単位を使用する。

水ポテンシャルは、実際には単位質量当たりのエネルギーで測定されるため、正式な単位は1キログラム当たりジュールであるべきだが、水の密度を考慮すると単位はキロパスカルになる。

水ポテンシャル成分

トータル・ウォーター・ポテンシャルは、4つの異なる成分の合計である。

• マトリックポテンシャル：水の表面への結合
• 浸透圧ポテンシャル：水中の溶質との結合
• 重力ポテンシャル：重力場における水の位置
• 圧力ポテンシャル：水にかかる静水圧または空気圧

水ポテンシャルの計算方法

土壌水ポテンシャルは、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＋浸透ポテンシャルの4つの異なる要素の合計である（式1）。

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7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。水が土壌から流出するにつれて、空気で満たされた間隙が大きくなり、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。

潜在能力

マトリックポテンシャルは、水が水素結合とファンデルワールス力によってほとんどの表面に引き寄せられるために生じる。土壌は小さな粒子で構成されているため、水と結合する表面がたくさんある。この結合力は、土壌の種類に大きく依存する。例えば、砂質土は粒子が大きく、表面結合サイトが少ないが、シルトロームは粒子が小さく、表面結合サイトが多い。

マトリックス・ポテンシャルの動きをビデオでご覧ください。

次の図は、3つの異なるタイプの土壌の水分放出曲線を示したもので、表面積の効果を示している。水分を10％含む砂は、マトリックポテンシャルが高く、 生物や植物が容易に水分を利用できる。10％の水分を含むシルトロームは、マトリックポテンシャルがかなり低く、水分の利用可能性はかなり低くなる。

マトリックポテンシャルは常に負またはゼロであり、不飽和条件における土壌水ポテンシャルの最も重要な要素である。

水分放出曲線と土壌水分ポテンシャルと土壌含水率の関係については、こちらをご覧ください。

テンシオメーターと TEROS 21は、どちらも圃場のマトリックポテンシャルを測定する土壌水ポテンシャルセンサーです。どの圃場水ポテンシャルセンサーがあなたのアプリケーションに適しているかは、"どの土壌センサーがあなたに最適ですか？"をお読みください。

浸透圧ポテンシャル

浸透圧ポテンシャルは、水に溶けている溶質による水の希釈と結合を表す。このポテンシャルも常に負である。

浸透圧ポテンシャルがシステムに影響を与えるのは、溶質の通過を妨げる半透過性のバリアがある場合だけである。これは自然界ではよくあることである。例えば、植物の根は水を通すが、ほとんどの溶質を遮断する。細胞膜も半透過性のバリアを形成する。あまり知られていない例としては、空気と水の界面があり、水は気相で空気中を通過できるが、塩類は取り残される。

水中の溶質の濃度がわかっていれば、次の式から浸透圧ポテンシャルを計算することができる。

ここで、Cは溶質の濃度（mol/kg）、↪Ll_278は浸透圧係数（ほとんどの溶質で-0.9～1）、vは1molあたりのイオン数（NaCl＝2、_CaCl2＝3、スクロース＝1）、Rは気体定数、Tはケルビン温度である。

浸透圧ポテンシャルは常にマイナスかゼロであり、植物や一部の塩害土壌では重要である。

重力ポテンシャル

重力ポテンシャルは、重力場における水の位置によって生じる。重力ポテンシャルは、土壌表面の純粋で自由な水という指定された基準に対して、どこにいるかによってプラスにもマイナスにもなる。重力ポテンシャルは

ここで、 Gは重力定数（9.8m s^-2）、Hは基準高さから土壌表面（指定高さ）までの垂直距離である。

圧力ポテンシャル

プレッシャー・ポテンシャルとは、静水圧または空気圧が水にかかる、または引っ張られることである。これは、システムのより大きな領域全体に作用する、より巨視的な効果である。

自然環境には、正圧の可能性がある例がいくつかある。例えば、地下水の水面下には正圧が存在する。湖やプールを泳ぐと、この圧力を感じることができる。同様に、水位より下に移動すると、圧力ヘッドまたは陽圧ポテンシャルが発生する。植物におけるツルゴール圧や動物における血圧も、陽圧ポテンシャルの2つの例である。

圧力ポテンシャルは次から計算できる。

ここで、Pは圧力（_Pa）、_PWは水の密度である。

圧力ポテンシャルは通常プラスであるが、そうでない重要なケースもある。そのひとつが植物で、木部内の負圧ポテンシャルが土壌から根を伝って葉へと水を引き込む。

水ポテンシャルと相対湿度

水ポテンシャルと相対湿度はケルビンの式で表される。温度と湿度がわかれば、次の式で水ポテンシャルを計算できる。

ここで、Ψは水ポテンシャル（MPa）、_HRは相対湿度（単位なし）、Rは普遍気体定数（8.3143 J ^mol-1K^-1）、_MWは 水の質量（18.02 g/mol）、 Tはケルビン温度である。

水ポテンシャルとは？留意点

水ポテンシャル：

• 環境中の水のエネルギー状態を記述する
• 生物にとって利用可能な水を定義する

重要なポイント

• 水は常に高い電位から低い電位へと流れる
• これは熱力学の第二法則であり、エネルギーは集中変数の勾配に沿って流れる。

水ポテンシャルとは何ですか？水ポテンシャルのメインページに戻るか、水ポテンシャルの使用について専門家にご相談ください。

土壌水ポテンシャルの参考資料

カーカム，メアリー・ベス土壌と植物の水関係の原理。アカデミックプレス、2014年書籍リンク

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.書籍リンク

ヒレル ダニエル土壌物理学の基礎.アカデミックプレス, 2013.書籍リンク

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.

ウォーター・ポテンシャル 201

コリン・キャンベル博士のウェビナー「水ポテンシャル201：正しい測定器の選択」では、水 ポテンシャル 測定の課題や、様々な水ポテンシャル測定器の選択と使用方法など、水ポテンシャル測定器の理論について解説します。

どの水ポテンシャル法があなたに適しているか？

基本的に、水ポテンシャルの主な測定方法は、テンシオメーターと 蒸気圧法の2つしかない。テンシオメーターは、水の沸点を遅らせる特殊なテンシオメーターで、0～約-0.2MPaの湿潤領域で機能する。蒸気圧法は乾燥域で、約-0.1MPaから-300MPa（0.1MPaは99.93％RH、-300MPaは11％）。

歴史的には、これらの範囲が重なることはなかったが、最近のテンシオメーターと温度感知技術の進歩がそれを変えた。現在では、優れた方法と 最高の機器を備えた熟練したユーザーであれば、実験室で水ポテンシャルの全範囲を測定することができる。

しかし、二次的な測定法に目を向けるべき理由もある。蒸気圧法はその場では役に立たないし、テンシオメーターの精度は、常に入念なメンテナンスで賄わなければならない（テンシオメーターの自己充填バージョンもあるが）。

さらに、石膏ブロック、プレッシャープレート、ろ紙など、理解すべき伝統的な方法もある。このセクションでは、それぞれの方法の長所と限界について簡単に説明する。

プレッシャープレート

プレッシャープレートは1930年代にL.A.リチャーズによって導入された。実際に試料の水ポテンシャルを測定するわけではない。その代わり、試料に圧力をかけ、余分な水を多孔質のセラミックプレートを通して流出させることで、試料を特定の水ポテンシャルに近づけます。サンプルが平衡状態になると、その水ポテンシャルは加えた圧力と同じになる。

加圧プレートは通常、土壌水分特性曲線を作成するた めに使用される。加圧下で土壌サンプルが特定の水ポテンシャルに達す ると、研究者はプレートからサンプルを取り出して乾燥 させ、含水率を測定することができる。圧力板装置で異なる圧力でこれらの測定を行うことで、土壌水分特性を作成することができる。

圧力プレートの精度は、他の二次測定方法の校正に使われることが多いため、重要である。

プレッシャープレートには均衡の問題がある

加圧プレートで正確な水分放出曲線を作成するためには、試料が指定された圧力で完全に平衡状態になったことを確認する必要があります。Gee et. al (2002)、Cresswell et. al (2008)、Bittelli and Flury (2009)を含む何人かのレビュアーは、この仮定に問題があることを指摘しています。

特に低水ポテンシャルでの誤差は、プレッシャープレートのセラミック内の孔の詰まり、サンプル内の流れの制限、土壌の収縮によるプレートと土壌の水理学的接触の喪失、プレートの圧力が解放されたときの水の再吸収によって生じる可能性がある。低水ポテンシャルでは、透水係数が低いため、平衡に数週間から数カ月を要することもある。Gee ら（2002）は、15 bar のプレッシャー・プレート上で 9 日間平衡させたサンプルの水ポテンシャルを測定し、予想される-1.5 MPa ではなく、-0.5 MPa であることを発見した。特に、透水係数を推定し、植物が利用可能な水分を決定するために水分放出曲線を作成する場合、-0.1 MPa（-1 bar）未満の電位での圧力板測定は、大きな誤差を引き起こす可能性がある（Bittelli and Flury, 2009）。

さらに、Baker and Frydman (2009)は、正圧下と吸引下とでは土壌マトリックスの排水が異なることを理論的に立証している。彼らは、吸引によって達成される平衡含水量は、自然条件下で発生する含水量とは大きく異なると仮定している。逸話的証拠はこの考えを支持しているようだが、さらなるテストが必要である。最終的には、プレッシャープレートは湿潤範囲（0～-0.5MPa）では用途によっては十分な精度を持つかもしれないが、他の方法ではより高い精度が得られる可能性がある。

蒸気圧法

WP4C 露点湿度計は、現在この技法を用いた数少ない市販機器のひとつである。従来の熱電対式湿度計と同様に、露点湿度計は密閉されたチャンバー内で試料を平衡化します。

チャンバー内の小さな鏡は、露ができ始めるまで冷やされる。露点では、WP4C 、鏡と試料の温度を0.001◦Cの精度で測定し、試料上部の蒸気の相対湿度を決定します。

メリット

この露点湿度計の最新バージョンは、-5～-300MPaで±1％の精度を持ち、使い方も比較的簡単である。湿ったサンプルは時間がかかるが、多くのサンプルタイプは5分から10分で分析できる。

制限事項

高い水ポテンシャルでは、飽和蒸気圧とサンプルチャンバー内の蒸気圧の温度差は消失するほど小さくなる。

温度測定の分解能に限界があるため、蒸気圧法がテンシオメーターに取って代わることはおそらくないだろう。

露点湿度計の測定範囲は-0.1～-300MPaですが、特殊な技術を用いれば-0.1MPaを超える測定も可能です。0～-0.1MPaの測定には、テンシオメーターが最適です。

テンシオメーターとウインド／シンドラー・テクニック

は HYPROPは、風/シンドラー蒸発法を使用して、テンシオメーター範囲の水ポテンシャルを持つ土壌の水分放出曲線を作成するユニークな実験装置です。

Hyprop は、2台の高精度ミニテンシオメーターを使用し、250cm^3の飽和土壌サンプル内の異なるレベルの水ポテンシャルを、サンプルが実験室の天秤の上に静止している間に測定する。時間の経過とともに試料は乾燥し、測定器は変化する水ポテンシャルと変化する試料重量を同時に測定する。重量測定値から含水率を計算し、含水率の変化に相関する水ポテンシャルの変化をプロットします。

結果を検証し、選択したモデル（van Genuchten/Mualem、bimodal van Genuchten/Mualem、またはBrooks and Corey）に従って乾燥範囲と飽和度の値を算出する。

メリット

Hyprop は精度が高く、湿潤域で完全な水分放出曲線を作成する。曲線が完成するまで3～5日かかるが、装置は無人で作動する。

制限事項

Hypropただし、ミニテンシオメーターは沸騰リタデーション機能を備えているため、-250kPa（-0.25MPa）を超える測定に使用されている。

250 kPa以下では、テンシオメーターはキャビテーションを起こします。パワーユーザーには、セラミック製テンシオメーターカップの空気侵入点（-880 kPa; -0.88MPa）で曲線に最終点を追加するオプションがあります。

テンシオメーター

水ポテンシャルとは、定義によれば、サンプルの水と、基準となる純水のプールの水との間のポテンシャルエネルギーの差を測定するものである。テンシオメーターはこの定義を実現したものです。

テンシオメーターチューブには、（理論的には）純粋な自由水が溜まっている。この貯水池は（透過性の膜を通して）土壌サンプルとつながっている。熱力学第二法則のおかげで、水は膜の両側でエネルギーが等しくなるまで貯水池から土壌へと移動する。その結果、チューブ内は真空状態になる。テンシオメーターは、負圧計（バキュメーター）を使ってこの真空の強さを測定し、水のポテンシャルを圧力で表す。

メリット

テンシオメーターは、おそらく最も古いタイプの水ポテンシャル測定器である（最初のコンセプトは、少なくとも1908年のリビングストンにまで遡る）が、今でもかなり有用である。実際、湿潤域では、高品質のテンシオメーターを巧みに使えば、優れた精度を発揮することができる。

制限事項

テンシオメーターの測定範囲は、チューブ内の水が真空に耐えられるかどうかによって制限される。水は基本的に非圧縮性ですが、エッジや砂利のような水面の不連続面が核となり、水の強い結合が破壊され、キャビテーション（低圧沸騰）が発生します。ほとんどのテンシオメーターは-80kPa付近でキャビテーションを起こす。

しかし、ドイツのMETER Group Agは、精密なドイツ工学、綿密な構造、細部への狂信的な注意のおかげで、現代的な古典である テンシオメーターを 製造している。 これらのテンシオメーターは、驚異的な精度と、（注意深いオペレーターによって）-250kPaまで測定可能なレンジを持っている。

二次的手法：水分の特性を利用する

含水率は水ポテンシャルよりも測定しやすい傾向にあり、2つの値は関連しているため、含水率の測定値を用いて水ポテンシャルを求めることが可能である。

特定の土壌基質への水の吸着とそこからの水の脱着に伴って、水ポテンシャルがどのように変化するかを示すグラフは、水分特性または水分放出曲線と呼ばれる。

水を保持できるすべてのマトリックスは、指紋のように独特で特徴的な水分特性を持っている。土壌では、組成やテクスチャーのわずかな違いが水分特性に大きな影響を与える。

研究者の中には、特定の土壌タイプに対す る水分特性を開発し、その特性を用いて含水量測定 値から水ポテンシャルを決定する者もいる。マトリックポテンシャルセンサーは、熱力学の第二法則を利用することで、より単純なアプローチをとっている。

マトリック電位センサー

マトリック・ポテンシャル・センサは、水分特性が既知の多孔質材料を使用する。すべてのエネルギーシステムは平衡に向かう傾向があるため、多孔質材料は周囲の土壌と水ポテンシャルが平衡になる。

多孔質材料の水分特性を使用して、多孔質材料の含水量を測定し、多孔質材料と周囲の土壌の両方の水ポテンシャルを決定することができます。マトリックポテンシャルセンサーは、さまざまな多孔質材料と、含水量を測定するためのいくつかの異なる方法を使用します。

精度はカスタム校正に依存

マトリック・ポテンシャル・センサーの精度は、最高で はあるが、優れているわけではない。最悪の場合、この方法は、土壌が湿っているのか乾いているのかを知ることができるだけである。センサーの精度は、多孔質材料用に開発された水分特性の質と、使用する材料の均一性に依存する。精度を高めるには、使用する特定の材料を一次測定法で校正する必要があります。この方法の感度は、水ポテンシャルの変化に伴う含水率の変化の速さによって決まります。精度は含水率測定の質によって決まります。

精度は温度感度の影響を受けることもある。この方法は等温条件に依存するが、これを達成するのは困難である。センサーと土壌の温度差は大きな誤差の原因となる。

範囲限定

すべてのマトリックポテンシャルセンサーは、透水係数の制限を受ける。土壌が乾燥するにつれて、多孔質材料が平衡化するのに時間がかかる。また、含水比の変化も小さくなり、測定が困難になる。湿潤側では、センサーの範囲は、使用される多孔質材料の空気進入電位によって制限される。

ろ紙

ろ紙法は、1930年代に土壌科学者によって、当時利用可能であった方法に代わる方法として開発された。多孔質媒体として、特定のタイプのろ紙（Whitman No.42 Ashless）が使用される。試料はろ紙培地で平衡化される。試料は密閉された恒温槽でろ紙と平衡化される。濾紙の重量含水率は乾燥オーブンを用いて測定し、水ポテンシャルは濾紙の所定の水分特性曲線から推測する。Dekaら（1995）は、完全な平衡化には少なくとも6日間が必要であることを明らかにした。

レンジ

ろ紙は、完全に平衡化させれば-100MPaまでが一般的な測定範囲とされている。しかし、図示したように、水ポテンシャルがゼロ付近では、温度勾配による誤差が例外的に大きくなる。

この方法は安価で簡単だが、正確性に欠ける。等温条件が必要だが、その実現は難しい。わずかな温度変化で大きな誤差が生じることもある。

市販のマトリックス電位センサー

石膏ブロック：安くて簡単

石膏ブロックは、灌漑事象の簡単な指標としてよく使用される。石膏ブロックは、周囲の土壌の変化に反応する石膏のブロックの電気抵抗を測定する。電気抵抗は水位に比例する。

メリット

石膏ブロックは驚くほど安く、かなり使いやすい。

デメリット

測定値は温度に依存し、精度は非常に低い。また、石膏は時間の経過とともに、特に塩分を含む土壌では溶解し、校正特性を失う。石膏ブロックはウェットかドライかを教えてくれるが、それ以上のものではない。

粒状マトリックスセンサー：簡単で安価だが、精度は限定的

石膏ブロックのように、粒状マトリックセンサーは多孔質媒体中の電気抵抗を測定する。石膏の代わりに、合成膜と保護用ステンレス・スチール・メッシュに囲まれた粒状石英を使用している。

メリット

石膏ブロックに比べ、粒状マトリックセンサーは長持ちし、より湿った土壌条件でも機能する。温度変化を測定・補正することで、性能を向上させることができる。

デメリット

測定値は温度に依存し、精度が低い。また、土壌とセンサーの接触が良好であっても、粒状マトリックスセンサーは、非常に乾燥した条件に平衡化された後、再湿潤の問題がある。レンジは、マトリックスの空気進入ポテンシャルによって湿潤側で制限される。粒状マトリックスセンサーは、マトリックス中の最大の孔が排水を開始したときにのみ、含水量／電位の測定を開始することができる。 さらに、これらのセンサーは石膏ペレットを使用しているため、時間の経過とともに溶解し、長期安定性に欠ける。

セラミックベースのセンサー

セラミック・ベースのセンサーは、多孔質媒体としてセラミック・ディスクを使用する。センサーの品質はセラミック特有の性質に依存する。

精度は、各ディスクが多少独特な水分特性を持っているという事実によって制限されます。セラミック材料の均一化により精度は向上しますが、測定範囲は大幅に制限されます。個々のセンサーのカスタム校正は精度を劇的に向上させますが、時間がかかります。校正技術における最近の技術革新は、より優れた商業的校正オプションを提供する可能性があります。

湿潤側では、セラミックの空気進入電位によって測定範囲が制限されます。セラミックベースのセンサーは、セラミック内の最大の気孔が流出し始めたときにのみ、含水量/電位の測定を開始することができます。 ドライエンドでは、低い水ポテンシャルで排出される小さな気孔に含まれる総気孔率によって範囲が制限されます。

2種類ある：

放熱センサー

放熱センサーは、セラミックの熱伝導率を測定することで、セラミックの含水率を測定する。ヒーターと熱電対を内蔵したセラミックシリンダーを使用し、ベースライン温度を測定し、数秒間加熱した後、温度変化を測定します。温度変化と対数時間をプロットすることで、セラミックの含水率が決定される。含水率は、セラミックディスクの水分特性を用いて水ポテンシャルに変換されます。センサーは加熱されるため、大きな電力備蓄のあるシステム（例えば、Campbell Scientific社製データロガーまたは同等のもの）から電力を供給されなければならないことに注意してください。

精度

個別にカスタム校正しない限り、放熱センサーの精度は中程度にとどまる。

レンジ

非常にドライな領域では、熱伝導率曲線に多くの感度があるため、放熱センサーはドライな領域（-1～-50 mPa）で有用性が広がります。 ウェットエンドでは、放熱センサーはセラミックの空気進入ポテンシャルによって制限されます。

誘電マトリックス電位センサー

誘電体母電位センサーは、セラミック・ディスクの電荷蓄積容量を測定し、その含水量を決定する。その後、ディスクの水分特性を利用して、含水率を水ポテンシャルに変換します。

誘電体技術を使用しているため、センサーは水中のわずかな変化に非常に敏感である。他のセラミックベースのセンサーと同様、マトリックポテンシャルセンサーも、精度を上げるためにはカスタム校正が必要です。

メリット

誘電体母電位センサーは低消費電力でメンテナンスフリー。

デメリット

校正なしの場合、センサーの精度は読み取り値の±40％に過ぎない。しかし、最近のカスタム校正バージョンのセンサーは、読み取り値の±10％の精度を約束している。

水ポテンシャルの測定方法に関するその他の資料

1. Gee, Glendon W., Anderson L. Ward, Z. F. Zhang, Gaylon S. Campbell, and J. Mathison."The influence of hydraulic nonequilibrium on pressure plate data.".Vadose Zone Journal1, no：172-178.
2. Cresswell, H. P., T. W. Green, and N. J. McKenzie."土壌保水量を測定するための圧力板装置の妥当性".Soil Science Society of America Journal72, no：41-49.
3. Bittelli, Marco, and Markus Flury."圧力板を用いて決定した保水曲線の誤差".Soil Science Society of America Journal73, no.5 (2009):1453-1460.
4. Baker, Rafael, and Sam Frydman.「不飽和土の力学：物理的基礎の批判的レビュー".Engineering Geology106, no：26-39.記事のリンク
5. Deka, R. N., M. Wairiu, P. W. Mtakwa, C. E. Mullins, E. M. Veenendaal, and J. Townend.「土壌マトリックスポテンシャル測定のためのフィルターペーパー法の使用と精度。European Journal of Soil Science46, no：233-238.記事のリンク

水のポテンシャルに注意 301

レオ・リベラは、湿潤端テンシオメーターデータ(HYPROP)と乾端露点データ(WP4C)を使って土壌水特性曲線を作成するのに必要なスキルを伝授する。

これらの技術により、研究者は装置の仕様を超えることが可能になる可能性があります。ヒステリシスの影響や、ウェットレンジに移行する際に必要となるサンプル前処理方法の変更など、これらの測定にまつわる問題について学んでください。

水ポテンシャル

土壌水分放出曲線

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。これは、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9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1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。

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。

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、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といった重要な疑問に答えることができる。例えば、下の図10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11は、ローム状砂、シルトローム、および粘性 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12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最適な水分レベルを維持するプロセスを簡素化します。上限と下限はZENTRA cloud （ライブデモを見る）で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）の上に網掛けされた帯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。

土壌水分による灌漑の改善について詳しくはこちら

ラボカーブ-これまで以上に簡単に

15～20年前、ラボで完全で詳細な土壌水分放出曲線を得るには数ヶ月を要した。なぜか？

水分放出曲線には常に2つの弱点があった。それは、0～-100kPaの間の限られたデータと、-100kPa～-1000kPaの間の、どの機器も正確な測定ができないギャップである。0～-100kPaの間では、土壌は含水量の半分以上を失う。水分放出曲線のこのセクションのデータポイントを作成するために圧力板を使用することは、曲線がわずか5つのデータポイントに基づいていることを意味する。

そしてギャップがある。最も低いテンシオメーターの測定値は-0.085MPaでカットアウトし、一方、歴史的に最も高いWP4水ポテンシャル・メーターの測定範囲は、かろうじて-1MPaに達した。そのため、植物が利用できる範囲のちょうど真ん中でカーブに穴が空いてしまったのだ。

2008年、ドイツのMETER Group AGは、0～-0.1MPaの範囲で100以上のデータポイントを生成できる装置、HYPROP を発表した。これは、曲線のその部分の背後で、20倍以上のデータによって分解能の問題を解決した。

2010年、METER Group は再設計されたWP4C 水位計を発表した。精度とレンジが大幅に向上したことで、WP4C はテンシオメーター・レンジまで正確に読み取れるようになった。使用方法 HYPROP再設計された WP4C熟練した実験者であれば、完全で高解像度の水分放出曲線を作成することができます。実験室での完全な土壌水分放出曲線の作成方法の詳細については、水分放出曲線アプリガイドをご覧ください。

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、土壌固有の表面積など、多くの問題を理解するためにこの曲線を使用している。

土壌水分放出曲線がお客様のアプリケーションでどのように使用できるか知りたいですか？当社の土壌科学者は、研究者が土壌-植物-大気の連続体を測定するのを何十年も支援してきた経験があります。または、土壌水分放出曲線のウェビナーをご覧ください：土壌水分201：土壌水分201：水分放出曲線-明らかに。

水ポテンシャル：ちょっとした歴史

土壌中の不飽和水の流れを理解する

前世紀初頭、米国農務省土壌局（BOS）は、農業における不可解な問題に取り組むため、何人かの純粋物理学者を採用した。その一人がエドガー・バッキンガムであった。バッキンガムが1902年に土壌局に来たとき、彼はすでに熱力学のテキストを執筆していた。BOSでの最初の実験は土壌中の気体輸送に関するものであったが、最終的には土壌中の不飽和水流の問題を考えるようになり、これが土壌物理学に最大の貢献をした場所である。

古典物理学者であったバッキンガムは、土壌中の水の流れをめぐる謎と混乱を調べるために数学を用いた。バッキンガムの挑戦は、不飽和土壌の流動は水分量によって駆動されるものではないことを理解し、その力を記述することであった。バッキンガムは、電気的、熱的な力場と、それらが生み出す流束に精通していた。これらの概念は、彼が "毛管伝導性 "と呼ぶ勾配によって土壌に生じる駆動力を容易に類推できるものであった。バッキンガムは、オームの法則とフーリエの法則を用いてこの流束を記述した。

1902:エドガー・バッキンガムが土壌局に勤務。彼の熱力学の経験は、土壌中の不飽和水流に関する我々の理解の始まりとなった。

1930s:L.A.リチャーズ、「毛管伝導率」を効果的に測定できる最初の機器のひとつである圧力板を開発。

1940s:L.A.リチャーズとジョン・モンテイスが、熱電対式サイ クロメーターを使って土壌サンプルの水ポテンシャルを測 定する方法を説明した論文を発表。

1951:D.C.スパナーが、土壌中の水ポテンシャルを測定するための熱電対式サイクロメーターの使用に初めて成功。

1983:METER社、初の市販熱電対サイクロ測定器（SC-10、後にTruPsiとして知られる）を発表。

ラボでの水ポテンシャルの測定

1907年にエドガー・バッキンガムが「毛細管伝導性」を説明し、実証したが、それを効果的に測定できるようになるには長い道のりがあった。それを可能にした最初の測定器は、1930年代にL.A.リチャーズによって作られた プレッシャープレートである。プレッシャープレートは試料の水ポテンシャルを測定するものではない。その代わり、サンプルを特定の水ポテンシャルに近づけます。装置で圧力をかけ、試料から多孔質セラミックプレートへと水を押し出す。試料が平衡状態になると、その水ポテンシャルは理論上、加えられた圧力と同じになる。

土壌サンプルが加圧下で特定の水ポテンシャルに達すれば、研究者は相関する含水量を測定することができる。異なる圧力でこれらの測定を行うことで、土壌水分特性を作成することができる。

蒸気法

圧力板の導入から10年以上後、米国のL. A. Richardsと英国のJohn Monteithは、密閉されたチャンバー内で試料を水蒸気で平衡化し、水蒸気の相対湿度を測定することで、熱電対式比色計を使って土壌試料の水ポテンシャルを測定できることを説明した論文を発表した。平衡状態では、蒸気の相対湿度は試料の水ポテンシャルに直接関係している。

1818年にドイツの発明家エルンスト・フェルディナント・アウグスト（1795-1870）によって作られたサイクロ計という言葉は、ギリシャ語で「冷たい測定器」を意味する。サイクロ・メーターは2つの同じ温度計でできている。一方（乾球）は乾燥状態に保たれ、もう一方（湿球）は飽和状態に保たれる。湿球温度と乾球温度の温度差から、空気の相対湿度を計算することができる。

熱電対サイクロ

土壌サンプルの相対湿度を測定するために使われた最初の湿度計は、必然的に非常に小型のものだった。2つの温度計は、小さくて壊れやすい熱電対でできていた。熱電対とは、2本の異種導体を1カ所に接合した温度センサーである。熱電対は温度勾配を電気に変換し、それを測定することで温度変化を知ることができる。

熱電対式サイ クロメーターは、1951年以前にD.C.スパナーによって初めて水ポテンシャルの測定に成功したが、その測定は困難を極めた。ジョン・モンテースによれば、ロザムステッドのヒュームフードには長年にわたってこの実験の跡が残っていたという。

他の研究者は、彼の測定を繰り返すのに苦労していた。試料が平衡化するのに1週間もかかり、壊れやすい熱電対は1回測定しただけで壊れてしまうことも多かった。それでも1961年までには、リチャーズは明らかに水蒸気法が水ポテンシャル測定の未来だと考えていた（Richards and Ogata, 1961）。

デカゴン社（現メター社）は1983年に初の商用熱電対心理計（SC-10熱電対心理計サンプルチェンジャー、後のTruPsi）を発表しました。この装置では、デリケートな熱電対を使用していましたが、密閉された筐体の中で保護されていました。9個のサンプルを同時に平衡化し、熱電対の下で回転させて測定した。

各測定の前に、湿球熱電対を小さな貯水槽に浸した。熱電対の電気出力はナノボルト計に送られ、温度変化がいつ止まるかをモニターしなければならなかった。

露点水ポテンシャル計

1990年代後半、Decagon社（現METER社）は、蒸気圧を利用した水ポテンシャル測定法の改良型であるWP4C 露点電位計の製造を開始した。心理計と同様、チャンバー内に密閉されたサンプルの上部の蒸気圧を測定する。どちらの測定器も、熱力学的原理に基づく主要な方法である。

心理計とは異なり、露点電位計はチルドミラー露点センサーを使用します。チャンバー内の小さな鏡は、露ができ始めるまで冷やされます。露点では、WP4C 、鏡と試料の温度を0.001 °Cの精度で測定し、試料上部の蒸気の相対湿度を決定します。試料の水ポテンシャルは、試料温度と露点温度の差に直線的に関係します。

露点センサーにはいくつかの利点がある。操作者が比較的不慣れな場合でも、より迅速で正確な測定が可能です。また、チルドミラーセンサーは水を加える必要がないため、サンプル上部の蒸気の水分含有量を増加させることがありません。

この測定は、校正ではなく、熱力学的な原理に基づいて水ポテンシャルを決定する主要な方法であるという利点がある。

この装置の最新バージョンは、1000分の1度の温度分解能が可能で、-0.5MPaの湿ったサンプルを優れた精度で測定することができる。

質問は？

当社の科学者は、研究者や生産者が土壌-植物-大気の連続体を測定するのを何十年も支援してきた経験がある。

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