寄稿者

なぜ水ポテンシャルを測定するのか？

ある生態学者は、斜面の向きが植物の利用可能な水分量に及ぼす影響を研究するため、広範囲にわたる土壌水分センサーネットワークを設置しました。彼は膨大な量の土壌水分データを収集しましたが、最終的に、植物が利用できる水分量がどれくらいなのかを判断できず、途方に暮れていました。

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。土壌水分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（土壌の吸引力）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

水ポテンシャルとその必要性を理解するには、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1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、北極圏の船はホットロッドよりも熱量が高いのですが、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、エネルギーの流れはどの変数によって決まるのでしょうか？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。

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

熱量と同様に、水分量も量です。これは広範な変数であり、大きさや状況によって変化します。以下のパラドックスを考えてみましょう。

• 体積土壌水分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、逆に土壌水分が高い土壌では、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、土壌水分が大きく異なることがある。

これらのケースやその他多くのケースにおいて、水分含有量データは水の動きを予測できないため、混乱を招きます。水ポテンシャルは水のエネルギー状態を測定するもので、直感では説明できない水の動きの実態を説明します。気温が人間の快適度を決定づけるのと同様に、水ポテンシャルは植物の快適度を決定づけます。水ポテンシャルが分かれば、植物がどのような環境でもよく育つか、あるいはストレスを受けるかを予測することが可能になります。

水ポテンシャルが植物の快適さを決める

水分含有量は植物にとって「快適」な状態を示す指標ではありません。土、粘土、砂、培養土など、土壌の種類によって水分の保持力が異なるためです。水分含有量が30%の砂を想像してみてください。表面積が小さいため、植物の成長には水分が多すぎ、根への通気性が不足し、飽和状態に近い状態になります。次に、同じ水分含有量30%のきめの細かい粘土を考えてみましょう。粘土の表面が水を吸収し、植物が水をあまり利用できないため、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」状態からは程遠い状態です。

ポテンシャル測定は、植物が利用できる水分を明確に示します。水分含有量とは異なり、簡単な基準スケールがあります。植物の最適な水ポテンシャルは、非常に湿潤な-2～5kPaから、最適水分よりも乾燥している約-100kPaまでの範囲です。この範囲を下回ると植物は水分不足に陥り、-1000kPaを超えると症状が現れ始めます。植物によっては、-1000～-2000kPaを下回ると、恒久的な萎凋を引き起こします。表1は、いくつかの作物の簡単な基準スケールを示しています。この快適な水ポテンシャル範囲内に保たれることで、植物はストレスを受けにくくなり、収穫量が増加します。

ほとんどの用途では、水ポテンシャルと土壌水分の両方が必要とされる。

水ポテンシャルは水分含有量よりも植物が利用できる水分のより良い指標ですが、ほとんどの場合、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と便利です。

水ポテンシャルの強度測定は、貯蔵水量や必要水量に直接結びつくものではありません。水分含有量の情報は、灌漑管理や水収支研究などの用途でも必要とされます。詳しくは、「いつ水をやるべきか ― 二重測定で謎を解く」をご覧ください。

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、サンプルから純粋な自由水の基準プールまで微量の水を輸送するために必要な、水の量あたりのエネルギーです。その意味を理解するには、土壌サンプルの水とコップに入った水を比較してみてください。コップの中の水は比較的自由に利用でき、容易に利用できます。一方、土壌中の水は、溶質によって希釈され、圧力や張力を受けながら表面に結合しています。実際、土壌水は「自由」水とは異なるエネルギー状態にあります。自由水は、エネルギーを一切加えることなくアクセスできます。土壌水は、エネルギーを消費することによってのみ抽出できます。土壌水ポテンシャルは、土壌サンプルからその水を引き出すために必要なエネルギー量を表します。

土壌水ポテンシャルは微分特性です。測定に意味を持たせるには、基準値を明確にする必要があります。一般的には、土壌表面の純粋な自由水が基準値として指定されます。この基準値の水ポテンシャルはゼロです。環境中の水ポテンシャルは、水を排出するためにエネルギーを加える必要があるため、ほぼ常にゼロ未満です。

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

水は常に高いポテンシャルから低いポテンシャルへと流れます。これは熱力学の第二法則、つまりエネルギーは強度変数の勾配に沿って流れるという法則です。図3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。例えば、土壌の水ポテンシャルが-50 kPaの場合、水はより負の-100 kPaへと移動し、より安定しようとします。

2.植物の水の利用可能性

液体の水は土壌から根へ、そして根を通り、植物の道管を通り、葉へと移動し、最終的に葉の気孔下腔で蒸発します。この流れの駆動力は水ポテンシャル勾配です。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りません。図4では、土壌は-0.3 MPa、根はそれよりわずかに負の-0.5 MPaです。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、葉から排出されます。そして、-100 MPaの大気がこの勾配を駆動しています。

灌漑業者や科学者は、水ポテンシャルセンサーと水分含有量センサーを組み合わせて、植物の水分利用能を把握しています。図5では、水分含有量がどこで低下し、何パーセントになると植物がストレスを感じ始めるかを確認できます。また、土壌の水分量が多すぎることも認識できます。水分含有量は、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基準値を超えています。この情報を用いて、研究者は植物の最適な体積水分含有量の範囲を12%～17%と特定できます。この範囲を下回ったり上回ったりすると、水分が少なすぎたり多すぎたりします。

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。動画 、METERLABROS 測定器をどのように組み合わせて土壌の水ポテンシャルの全範囲を測定できるかをご覧ください。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も呼ばれます。土壌水ポテンシャルを表す際には、通常、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）、ミリメートル水柱（mmH2O）などの圧力単位が使用されます。

水ポテンシャルは実際には質量単位あたりのエネルギーで測定されるため、正式な単位はキログラムあたりのジュールですが、水の密度を考慮すると単位はキロパスカルになるため、通常は圧力の単位を使用して記述します。

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す。

• 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す（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ことによって生じます。土壌は小さな粒子で構成されており、水と結合する表面を多数備えています。この結合は土壌の種類に大きく依存します。例えば、砂質土は粒子が大きく、表面結合部位が少ないのに対し、シルトロームは粒子が小さく、表面結合部位が多くなります。

下の動画 マトリックポテンシャルの動きをご覧ください。

下図は、3種類の土壌の水分放出曲線を示しており、表面積の影響を示しています。砂質土壌は水分を10%含み、マトリックポテンシャルが高く、生物や植物が容易に水を利用できます。一方、シルトローム質土壌は水分を10%含み、マトリックポテンシャルははるかに低く、水の利用性は著しく低くなります。

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

水分放出曲線と土壌水ポテンシャルと土壌土壌水分の関係については、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、水に溶解している溶質による水の希釈と結合を表します。このポテンシャルも常に負の値となります。

浸透圧ポテンシャルは、溶質の通過を遮断する半透性バリアが存在する場合にのみシステムに影響を与えます。これは自然界では非常に一般的な現象です。例えば、植物の根は水は通過させますが、ほとんどの溶質は通過させません。細胞膜も半透性バリアを形成します。あまり知られていない例としては、空気と水の界面が挙げられます。ここでは、水は蒸気相として空気中に通過しますが、塩分は残留します。

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ます。

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-1 K -1)、MW は水の質量 (18.02 g/mol)、T はケルビン温度です。

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す。

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ます。土壌表面における純粋で自由な水という特定の基準に対して、水がどこに位置しているかによって、重力ポテンシャルは正にも負にもなります。重力ポテンシャルは、

ここで、G は重力定数（9.8 m s-2）、H は基準高さから土壌表面（指定された高さ）までの垂直距離です。

圧力ポテンシャル

圧力ポテンシャルとは、水に作用する、あるいは水に引っ張られる静水圧または空気圧のことです。これは、システムのより広い領域に作用する、よりマクロ的な効果です。

自然環境には、正圧ポテンシャルの例がいくつかあります。例えば、地下水の表面下には正圧が存在します。湖やプールに泳ぎ込むと、この圧力を自分で感じることができます。同様に、地下水面下に移動すると、圧力水頭、つまり正圧ポテンシャルが発生します。植物の膨圧や動物の血圧も、正圧ポテンシャルの例です。

圧力ポテンシャルは次から計算できます。

ここで、Pは圧力（_Pa）、_PWは水の密度です。

圧力ポテンシャルは通常は正ですが、そうではない重要なケースもあります。例えば植物では、道管内の負の圧力ポテンシャルが土壌から水を根を通して引き上げ、葉へと送り込みます。

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ます。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ます。

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-1 K -1)、MW は水の質量 (18.02 g/mol)、T はケルビン温度です。

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（土壌吸引力）の測定方法は主に2つ、テンシオメーターと蒸気圧法の2つしかありません。テンシオメーターは湿潤領域で測定します。水の沸点を遅らせる特殊なテンシオメーターは、0～約-0.2 MPaの範囲で測定できます。蒸気圧法は乾燥領域で測定します。約-0.1 MPa～-300 MPa（0.1 MPaは湿度99.93%、-300 MPaは湿度11%）の範囲です。

歴史的に、これらの範囲は重なることはありませんでしたが、近年のテンシオメーターと温度センサー技術の進歩により、状況は変わりました。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が、実験室で水ポテンシャルの全範囲を測定できるようになりました。

しかし、二次的な測定方法を検討する理由もあります。蒸気圧法は現場では役に立たず、テンシオメーターの精度を維持するには、継続的な慎重なメンテナンスが必要です（ただし、自動充填式のテンシオメーターも利用可能です）。

さらに、石膏ブロック、圧力板、ろ紙といった伝統的な方法も理解しておく必要があります。このセクションでは、それぞれの方法の長所と短所について簡単に説明します。

プレッシャープレート

圧力プレートは1930年代にL.A.リチャーズによって導入されました。これはサンプルの水ポテンシャルを実際に測定するものではありません。サンプルに圧力を加え、余分な水を多孔質セラミックプレートから排出することで、サンプルを特定の水ポテンシャルにまで高めます。サンプルが平衡状態に達すると、その水ポテンシャルは加えられた圧力に等しくなります。

加圧プレートは、土壌水分特性曲線を作成するために一般的に使用されます。土壌サンプルが加圧下で特定の水ポテンシャルに達すると、研究者はサンプルをプレートから取り出し、乾燥させて水分含有量を測定します。加圧プレート装置内で異なる圧力でこれらの測定を行うことで、土壌水分特性曲線を作成できます。

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、重要です。

プレッシャープレートには均衡の問題がある

圧力板を用いて正確な水分放出曲線を作成するには、サンプルが所定の圧力で完全に平衡状態にある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) を含む複数の査読者は、この仮定に問題があることを指摘しています。

特に水ポテンシャルが低い場合の誤差は、圧力プレートのセラミックの細孔の詰まり、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間の水圧接触の喪失、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引き起こされる可能性があります。水ポテンシャルが低いと、透水係数が低いために平衡に達するまでに数週間から数か月かかることがあります。Gee ら (2002) は、15 bar の圧力プレートで 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 であることがわかりました。特に、透水係数を推定して植物が利用できる水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) 未満のポテンシャルでの圧力プレート測定は重大な誤差を引き起こす可能性があります (Bittelli および Flury、2009)。

さらに、ベイカーとフライドマン（2009）は、土壌マトリックスの排水が正圧下と吸引下で異なることを理論的に証明しています。彼らは、吸引によって達成される平衡水分量は、自然条件下でのものと大きく異なると仮定しています。事例証拠はこの考えを裏付けているようですが、さらなる検証が必要です。結局のところ、圧力プレートは湿潤範囲（0～-0.5 MPa）において一部の用途では十分な精度を発揮するかもしれませんが、他の方法の方がより高い精度が得られる可能性があり、これはデータをモデリングやキャリブレーションに使用する際に特に重要となる可能性があります。

蒸気圧法

WP4C露点湿度計は、現在この技術を採用した数少ない市販機器の一つです。従来の熱電対乾湿計と同様に、この露点湿度計は密閉されたチャンバー内でサンプルを平衡化させます。

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版は、-5～-300MPaの範囲で±1%の精度を誇り、比較的使いやすいです。多くのサンプルは5～10分で分析できますが、湿ったサンプルの場合はさらに時間がかかります。

制限事項

水ポテンシャルが高い場合、飽和蒸気圧とサンプル室内の蒸気圧の間の温度差は無視できるほど小さくなります。

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でしょう。

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を用いて、飽和状態の250cm³の土壌サンプルを実験室の天秤に載せた状態で、異なるレベルの水ポテンシャルを測定します。時間の経過とともにサンプルは乾燥し、装置は水ポテンシャルの変化とサンプル重量の変化を同時に測定します。重量測定値から水分含量を計算し、水分含量の変化と相関関係にあ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します。

メリット

Hypropは高精度で、湿潤領域における完全な水分放出曲線を生成します。曲線の作成には3～5日かかりますが、装置は無人で稼働します。

制限事項

Hyprop の範囲はテンシオメータの範囲によって制限されますが、ミニテンシオメータは沸騰遅延機能を備えているため、-250 kPa (-0.25 MPa) を超える測定に使用されています。

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、定義上、試料中の水と純粋な自由水プール内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す。テンシオメーターはこの定義を具体化したものです。

テンシオメーターチューブには、（理論上は）純粋な自由水が溜まっています。この貯水池は（透過膜を介して）土壌サンプルに接続されています。熱力学第二法則により、水は貯水池から土壌へと移動し、膜の両側でエネルギーが等しくなります。これによりチューブ内に真空状態が生じます。テンシオメーターは負圧計（真空計）を用いてこの真空の強さを測定し、水ポテンシャルを圧力で表します。

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（最初の概念は少なくとも1908年のリビングストンに遡る）ですが、今でも非常に有用です。実際、湿潤領域では、高品質のテンシオメーターを巧みに使用すれば、優れた精度が得られます。

制限事項

テンシオメーターの測定範囲は、チューブ内の水の真空耐性によって制限されます。水は本質的に非圧縮性ですが、水面のエッジや砂粒などの不連続部が核生成点となり、そこで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、プラントで利用可能な圧力範囲のちょうど中央、-80 kPa付近でキャビテーションを発生します。

しかし、ドイツのMETER Group Agは、精密なドイツ工学、綿密な構造、そして細部への徹底的なこだわりによって、現代の定番とも言えるテンシオメータを製造しています。これらのテンシオメータは優れた精度を誇り、（注意深く操作すれば）-250 kPaまで測定範囲を拡張できます。

二次的手法：水分の特性を利用する

水分含有量は水ポテンシャルよりも測定しやすい傾向があり、2つの値は関連しているため、水分含有量の測定を使用して水ポテンシャルを見つけることが可能です。

特定の土壌マトリックスに水が吸着され、そこから脱着されるときに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ます。

水分を保持できるあらゆる基質は、指紋のようにそれぞれが異なり、特徴的な水分特性を持っています。土壌においては、組成や質感のわずかな違いでさえ、水分特性に大きな影響を与えます。

一部の研究者は、特定の土壌の種類における水分特性を開発し、その特性を用いて水分含有量の測定値から水ポテンシャルを測定しています。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したよりシンプルなアプローチを採用しています。

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ーは、水分特性が既知の多孔質材料を使用します。すべてのエネルギーシステムは平衡状態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平衡状態になります。

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は、最高の精度を誇りますが、非常に優れているわけではありません。最悪の場合、この方法では土壌が湿潤しているか乾燥しているかしか判断できません。センサーの精度は、多孔質材料に求められる水分特性と、使用する材料の均一性に依存します。高い精度を得るには、使用する材料を一次測定法を用いて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水分量の変化速度に依存します。精度は水分量測定の質によって決まります。

精度は温度感度にも影響を受ける可能性があります。この方法は等温条件に依存しており、その実現は困難です。センサーと土壌の温度差は大きな誤差を引き起こす可能性があります。

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によって制限されます。土壌が乾燥するほど、多孔質材料の平衡化に時間がかかります。また、水分量の変化も小さくなり、測定が困難になります。湿潤側では、センサーの測定範囲は、使用している多孔質材料の空気侵入ポテンシャルによって制限されます。

ろ紙

ろ紙法は、1930年代に土壌科学者によって、当時の既存の方法に代わる方法として開発されました。多孔質媒体として、特定の種類のろ紙（Whitman No. 42 Ashless）を使用します。サンプルはろ紙媒体と平衡化されます。サンプルは、密閉されたチャンバー内で一定温度に保たれたろ紙と平衡化されます。ろ紙の重量水分含有量は乾燥オーブンを用いて測定され、ろ紙の水分特性曲線から水ポテンシャルが推定されます。Dekaら（1995）は、完全な平衡化には少なくとも6日間必要であることを発見しました。

レンジ

ろ紙の圧力範囲は、完全に平衡状態に達するまで-100 MPaまで許容されると一般的に認められています。しかし、図示されているように、水ポテンシャルがゼロ付近では温度勾配による誤差が非常に大きくなります。

この方法は安価でシンプルですが、正確ではありません。等温条件が必要であり、その実現は困難な場合があります。わずかな温度変化でも大きな誤差が生じる可能性があります。

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、灌漑活動の簡易指標としてよく使用されます。石膏ブロックは、周囲の土壌の変化に反応する石膏ブロックの電気抵抗を測定します。電気抵抗は水ポテンシャルに比例します。

メリット

石膏ブロックは驚くほど安く、かなり使いやすいです。

デメリット

測定値は温度に依存し、精度は非常に低いです。また、石膏は時間の経過とともに、特に塩分を多く含む土壌では溶解し、校正特性を失います。石膏ブロックは湿潤状態か乾燥状態かは分かりますが、それ以上のことは分かりません。

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

石膏ブロックと同様に、粒状マトリックスセンサーは多孔質媒体内の電気抵抗を測定します。石膏の代わりに、合成膜と保護用のステンレス鋼メッシュで囲まれた粒状石英が使用されています。

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します。センサーの品質は、セラミックの特定の特性によって決まります。

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水分含有量を測定します。ヒーターと熱電対を内蔵したセラミックシリンダーを用いて、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。温度変化と時間の関係をプロットすることで、セラミックの水分含有量を算出します。水分含有量は、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、十分な電力を蓄えたシステム（例：Campbell Scientificデータロガーまたは同等の機器）から電源を供給する必要があります。

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ります。

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

誘電マトリックス電位センサーは、セラミックディスクの電荷蓄積容量を測定して水分含有量を判定します。そして、ディスクの水分特性を用いて、水分含有量を水ポテンシャルに変換します。

誘電技術を採用しているため、センサーは水の小さな変化に非常に敏感です。他のセラミックベースのセンサーと同様に、マトリック電位センサーも高い精度を得るにはカスタムキャリブレーションが必要です。

メリット

誘電マトリックス電位センサーは低消費電力でメンテナンスフリーです。

デメリット

キャリブレーションなしの場合、センサーの精度は読み取り値の±40%に過ぎません。しかし、最近のカスタムキャリブレーション版のセンサーでは、読み取り値の±10%の精度が保証されています。

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

水ポテンシャル301を視聴する

Leo Rivera は、湿潤端テンシオメーター データ (HYPROP) と乾燥端露点データ (WP4C) が中央で実際に一致する土壌水分特性曲線を作成するために必要なスキルを教えます。

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

土壌水分特性曲線

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、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土壌水分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1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現れ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。

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11は、ローム質砂、シルトローム質土壌、粘土質土壌の典型的な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、シルトローム質土壌では約25%、粘土質土壌では約40%です。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、植物に水分を供給しません。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することができます。

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）、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年前は、実験室で土壌水分放出曲線を完全かつ詳細に測定するには数か月かかりましたが、それ以来、私たちは大きく進歩しました。なぜでしょうか？

水分放出曲線には常に2つの弱点がありました。0～-100 kPaの範囲ではデータが限られており、-100 kPa～-1000 kPaの範囲では、どの計測器も正確な測定が不可能です。0～-100 kPaの範囲では、土壌は水分含有量の半分以上を失います。圧力プレートを用いてこの範囲のデータポイントを作成すると、水分放出曲線はわずか5つのデータポイントに基づいて作成されます。

そして、ギャップがあります。テンシオメーターの最低測定値は-0.085 MPaで止まりましたが、WP4水ポテンシャルメーターの最高測定値は歴史的に-1 MPaにやっと達する程度でした。そのため、植物が利用可能な範囲のちょうど真ん中に曲線に穴が開いてしまいました。

2008年、ドイツのMETER Group AGは、0～-0.1 MPaの範囲で100以上のデータポイントを生成できるHYPROPを発売しました。これにより、曲線の該当セクションの背後にあるデータの20倍以上の解像度の問題が解決されました。

2010年、METERグループは再設計されたWP4C水ポテンシャルメーターをリリースしました。精度と測定範囲の大幅な向上により、WP4Cはテンシオメーターの測定範囲に至るまで良好な測定値を得られるようになりました。HYPROPと再設計されたWP4Cを併用することで、熟練した実験者は完全かつ高解像度の水分放出曲線を作成できます。実験室で完全な土壌水分放出曲線を作成する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。

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。

土壌水分放出曲線を貴社のアプリケーションにどのように活用できるかご興味をお持ちですか？ ぜひお問い合わせください。当社の土壌科学者は、土壌-植物-大気連続体の測定において、研究者の皆様を支援してきた長年の経験を有しています。または、土壌水分放出曲線ウェビナー「土壌水分201：水分放出曲線の解説」をご覧ください。

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

前世紀の変わり目、米国農務省土壌局（BOS）は、農業における難解な問題に取り組むため、数名の純粋物理学者を採用しました。その一人がエドガー・バッキンガムでした。バッキンガムが土壌局に着任した1902年当時、彼はすでに熱力学に関する著書を執筆していました。BOSでの最初の実験は土壌中のガス輸送に関するものでしたが、最終的には土壌中の不飽和水の流れの問題を検討するようになり、この分野で土壌物理学への最大の貢献を果たしました。

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数学を用いて解明しました。不飽和土壌では水分含有量が水の流れを駆動しないことを認識したバッキンガムにとって、水の流れを駆動する力を説明することが課題となりました。彼は電気力場と熱力場、そしてそれらが生み出す流動について当然ながら精通していました。これらの概念は、彼が「毛細管伝導率」と呼んだ勾配によって土壌中に生み出される駆動力と非常によく似ています。バッキンガムはこの流動を説明するために、オームの法則とフーリエの法則を用いました。

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、実証ましたが、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りました。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す。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ありません。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します。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ります。

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ます。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ます。

蒸気法

圧力板の導入から10年以上経った後、米国のL. A. リチャーズと英国のジョン・モンティスは、密閉容器内で土壌サンプルを蒸気と平衡させ、蒸気の相対湿度を測定することで、熱電対乾湿計を用いて土壌サンプルの水ポテンシャルを測定する方法を論文で発表しました。平衡状態では、蒸気の相対湿度はサンプルの水ポテンシャルと直接相関します。

サイクロメーター（乾湿計）という用語は、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）によって造られ、ギリシャ語で「冷たい測定器」を意味します。乾湿計は2つの同じ温度計から構成されています。一方（乾球）は乾燥した状態に、もう一方（湿球）は飽和状態に保たれます。湿球温度と乾球温度の差から、空気の相対湿度を計算することができます。

熱電対サイクロ

土壌サンプル上の相対湿度を測定するために最初に使用された乾湿計は、必然的に非常に小型でした。2つの温度計は、非常に小さく壊れやすい熱電対で作られていました。熱電対は、2つの異なる導体を1点で接合した温度センサーです。熱電対は温度勾配を電気に変換し、その電気を測定すれば温度変化を判定できます。

熱電対乾湿計は、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ましたが、測定は困難でした。スパナーは、望み通りの結果を得るために、ビスマスアンチモンから独自の線材を作らなければなりませんでした。ジョン・モンティスによると、ロスザムステッドのドラフトチャンバーには、長年にわたりこれらの実験の痕跡が残っていたそうです。

他の研究者たちは、彼の測定結果を再現するのに苦労しました。サンプルが平衡状態になるまでに最大1週間かかり、壊れやすい熱電対は1サンプルしか測定できず、すぐに壊れてしまうこともよくありました。それでも1961年までに、リチャーズは蒸気法こそが水ポテンシャル測定の未来であると明確に認識していました（Richards and Ogata, 1961）。

デカゴン（現METER）は1983年、初の商用熱電対乾湿計（SC-10 熱電対乾湿計サンプルチェンジャー、後のTruPsi）を発売しました。この装置は繊細な熱電対を使用していましたが、密閉された筐体内で保護されていました。9個のサンプルが同時に平衡化され、熱電対の下で回転して測定されました。

各測定の前に、湿球熱電対を小さな水溜めに浸しました。熱電対の電気出力はナノボルトメーターに送られ、温度変化が止まるタイミングをモニターする必要がありました。

露点水ポテンシャル計

1990年代後半、デカゴン社（現METER社）は、蒸気圧を用いて水ポテンシャルを測定する改良法であるWP4C露点ポテンシャメーターの製造を開始しました。乾湿計と同様に、チャンバー内に密封されたサンプル上の蒸気圧を測定します。どちらの機器も熱力学の原理に基づく基本的な測定法です。

乾湿計とは異なり、露点ポテンショメータは冷却鏡式露点センサーを採用しています。チャンバー内の小さな鏡は、露がつき始めるまで冷却されます。露点において、WP4Cは鏡とサンプルの温度を0.001℃の精度で測定し、サンプル上部の蒸気の相対湿度を算出します。サンプルの水ポテンシャルは、サンプル温度と露点温度の差に比例します。

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。

この測定には、較正ではなく熱力学原理に基づいて水ポテンシャルを決定するための主要な方法であるという利点があります。

この機器の最新バージョンでは、温度を 1000 分の 1 度単位で測定できるため、-0.5 MPa の湿ったサンプルを優れた精度で測定できます。

質問は？

当社の科学者には、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ります。

• 専門家に相談する
• 見積依頼
• 灌漑管理の完全ガイドをダウンロードする