土壌の乱れがデータに与える5つの影響とその対策

5 Ways site soil disturbance impacts your data—And what to do about it

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。 どのような設置技術とベストプラクティスが成功につながるかをご覧ください。

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現場の妨害について私たちが自分に言い聞かせる嘘

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、土壌とセンサーが良好に接触するためには、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・プローブのユーザーは、しばしば泥の厚いスラリーで埋め戻すことで補おうとしますが、この方法にも、外来種の土壌の混入や、土壌が乾燥する際に発生する亀裂による不正確さなどの課題があります。これらの問題を軽減するため、METER社の新しいTEROS 54プロファイルプローブには、特許取得済みのクワッドフィン設計が採用されており、土壌とセンサーが良好に接触するよう特別に設計されています。

ボアホール工法が勝つ理由
A graph showing soil data using TEROS 12 sensors in borehole profile installation
図1. TEROS 12センサーを使用した土壌データ。

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。

専門家のアドバイスを受ける

センサー設置のエキスパート、クリス・チェンバースが、よりスマートなセンサー設置を実現する方法を説明する以下のビデオをご覧ください。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
全体像を把握する

土壌水分測定の必要性、測定方法、測定方法とセンサーの比較、測定回数、測定すべき場所、ベストプラクティス、データのトラブルシューティングなど、土壌水分測定について知っておくべきことをすべて一箇所で学ぶことができます。

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土壌水分マスタークラス

6つの短いビデオで、土壌含水量と土壌水ポテンシャルについて知っておくべきこと、そしてなぜそれらを一緒に測定する必要があるのかをすべて学ぶことができます。 さらに、土壌の透水係数の基本もマスターしましょう。

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