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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。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

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。

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動画 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