DR.ゲイロン・S．キャンベル

要旨

農業や芝生の 灌漑スケジューリングには、正確で信頼性が高く、低コストの土壌水分センサー（SMS）が必要である。市場には多くのSMSがあるが、これらの分野のいずれかが不十分であるため、その使用は限られている。高品質な測定が可能でありながら、商業灌漑用に十分安価なセンサーのニーズが存在する。本研究の目的は、含水率と電気伝導度（EC）の異なる様々な土壌において、新しい低価格のSMSがどのように機能するかを調べることと、現場での耐久性を調べることである。

SMSは、試験した砂、シルトローム、粘土質の土壌の間で、ECの広い範囲にわたっても校正に差がないことを示した。また、フィールドテストでは、1シーズンにわたる測定で良好な信頼性が示された。この結果から、新しいSMSは土壌水分を測定し、灌漑のスケジュールを立てるのに有用なツールであることが示された。

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はじめに

淡水は限りある資源であり、何世代にもわたって利用できるよう、注意深く管理する必要がある。人為的に淡水を最も大量に消費するもののひとつが灌漑であり、商業用地、ゴルフ場、家庭の芝生や庭など、その種類はさまざまである。水を節約する鍵は、植物が必要とする水と土壌水の利用可能性に基づいた意思決定である。植物からの水損失の推定は大きく進歩しているが、灌漑ツールとしての土壌水分測定の利用は遅れている。土壌水分センサー（SMS）には、精度と安定性を兼ね備え、低価格で、より広いフィールドをカバーできるものが求められている。

土壌水分センシング技術は、何年も前から灌漑市場で利用されてきた。しかし、一部のセンサーでは測定精度が低く、他のセンサーでは価格が高いためか、その利用は遅々として進んでいない。SMSが実用的であるためには、正確で信頼性が高く、エンドユーザーにとって手頃な価格でなければならない。この研究の目的は、低コストのSMSを開発・テストし、灌漑市場で使用できるかを評価することである。

背景

長年にわたり、土壌水分を原位置でモニターするために数多くの技術が用いられてきた。初期の手法では、電気抵抗や低周波キャパシタンスを用いて含水量を推定することが多かった。これらの技術は含水量と相関があったが、土壌の塩分やテクスチャの影響も受けた。灌漑市場全体が土壌センサーに不信感を抱くようになったのは、おそらくこの種のセンサーの信頼性の低さが原因であろう。

バルク土壌の誘電率を測定し、その測定値を用いて土壌の体積含水率（VWC）を推測するセンサーの人気が高まっている。作動理論の理解向上とエレクトロニクスの改良が相まって、市場には優れた能力を持ちながらコストが下がり続けているセンサー設計が数多く登場している。高品質で低コストのセンサーが利用できるようになったことで、研究における地理空間モニタリングから、農業や芝生管理における灌漑管理の改善まで、新しいセンサーの用途が非常に増えている。

誘電センサーには2つの一般的なクラスがある。ひとつは、電気インパルスが土壌中の一定長さの伝送線を横切るのにかかる時間を測定するものである。もう1つは、土壌を誘電体とするコンデンサのインピーダンスの一部を測定するものである。最初のタイプのセンサーは、時間領域（時間領域反射率法：TDR、時間領域透過率法：TDT）と呼ばれる。2つ目のタイプのセンサーは、一般的に一定の周波数で動作するため、周波数領域センサーと呼ばれることもあるが、キャパシタンスセンサーと呼ばれることが多い。

タイムドメインセンサーは、周波数ドメインセンサーよりも本質的に優れている、あるいはより正確であるという信念が表明されることがある。この考えにはいくつかの理由がある。一般的に、タイムドメインセンサーはキャパシタンスセンサーよりもはるかに高価であり、コストによる精度の低下を意味する。また、キャパシタンス・センサは1世紀以上前から試みられているのに対し、タイムドメイン方式は過去30年以内に使用されるようになった。初期のキャパシタンス・センサには多くの制限があり、最新のエレクトロニクスと理論のより良い理解によって克服されたとはいえ、初期のバージョンの経験から、この方法はまだ悪名高いかもしれない。

この2つのセンサーの性能に差があると認識される理由が何であれ、この認識は、タイムドメインセンサーを販売するメーカーが自社製品を宣伝するために助長されるものである。これらの主張は、周波数ドメインセンサーとタイムドメインセンサーの相対的な利点について議論するための良い基礎となる。

精度

誘電センサーは含水量を感知するのではなく、土壌のバルク誘電率を感知する。つまり、センサーがバルク誘電率を決定できる精度と、バルク誘電率と土壌含水率の間の関係の精度である。まず後者について考えると、典型的な誘電混合モデルを用いて精度を分析することができます：

ここで、εは比誘電率、xは体積分率、添え字のb、a、m、wは、バルク、空気、鉱物、水を示す。土壌鉱物の比誘電率は3～16の範囲であるが、4がよく使われる。_xaに式1 -_xw-_xmを代入し、_xmに土壌の嵩比重と粒子密度の比ρ_b/ρsを代入すると、水分量と誘電率の測定値との関係式を得ることができる：

この式は、含水率を決定する様々なパラメータの不確実性に対する予測含水率の感度を決定するために使用することができる。計算はどのようなパラメータのセットに対しても行うことができる。説明のために、表1の公称値を選んだ。これらの値について、表1は感度を示している。

表1.式2の公称値と感度分析

数量	シンボル	公称値	感度1
バルク誘電率	εb	10	-5
水の誘電率	εw	80	8.5
鉱物誘電率	εm	4	16.2
かさ密度	ρb	1.3	16.2
粒子密度	ρs	2.65	-16.4
1感度とは、予測体積含水率に1％の変化をもたらす指示量の変化率である。

嵩密度が精度に及ぼす影響

土壌の嵩比重は大きく変化する。農業に使用される典型的な鉱物性土壌では、嵩比重は0.8～1.8 g cm^-3と、およそ80％も変化する。有機土壌や地盤工学的用途の土壌を考慮すると、その範囲はもっと広くなる。鉱物性の農地土壌の範囲だけを考慮すると、式2は、0.8から1.8 g cm^-3になる際に0.05 m³m-3の含水量の変化を予測する。密度の独立した測定がない場合（誘電式水分センサーの場合）、密度の不確かさだけを考慮すると、鉱物性農地土壌の精度の限界は含水率±2.5%である。有機土壌や圧縮土壌を考慮すると、誤差ははるかに大きくなります。

土壌の種類に関係なく、誘電体センサーの絶対精度が1%であるという主張は明らかに過大評価である。表1は、鉱物誘電率と粒子密度の不確かさに対する感度が、嵩密度の場合とほぼ同じであり、固体土壌特性のばらつきによる全体的な不確かさが加わっていることを示している。

水の誘電率が精度に及ぼす影響

自由水の誘電率は室温で約80である。温度上昇に伴い、約0.5%/℃で減少する。誘電率に8.5%の誤差が生じると、体積含水率20%では予測含水率に1%の誤差が生じます。この含水率では、±20℃の温度変化は、予測含水率に±1.2%の変化しかもたらさない。この影響は含水率が高いほど大きくなりますが、多くのセンサーは温度を測定するため、多くの場合適切な補正を適用することができ、この影響は無視できます。

水の誘電率における "結合水 "の効果

「結合水」もTDRやTDTセンサーに影響を与えることがある。自由水の誘電率は、緩和周波数である15 GHz以下の周波数では比較的一定です。しかし（氷のような）結晶水は、数kHzの周波数以下でのみ高い誘電率を持つ。したがって、水の結合や構造は、特定の周波数における誘電率に強く影響する。土壌鉱物や有機物に吸着した水は自由ではない。水には幅広い結合エネルギーがあり、多くのTDRやTDTセンサーが動作する周波数（高MHzから低GHzの範囲）よりも低い周波数で水の緩和周波数を下げるのに十分な強度のものもあります。この結合水の割合が精度に及ぼす影響は、有機物の少ない粗いテクスチャーの土壌では無視できますが、粘土の多い土壌ではかなりの過小評価につながります。キャパシタンスセンサーは一般的に低い周波数で作動するため、土壌水が凍結しない限り、このような誤差を受けることはない。凍結した土壌では、どちらのタイプのセンサーも凍結していない水だけを「見る」。

結合水の緩和周波数は温度依存性があるため、高周波TDRやTDTセンサーで測定した場合、バルクの誘電率が通常より高い温度依存性を生じるためである。ここでも、低周波センサーにはこの影響はない。

バルク誘電率が精度に及ぼす影響

表1より、含水比を1%の精度で求めるために必要な誘電率の精度は5%である。これは含水率によって変化し、飽和土壌の約3%から乾燥土壌の約10%の範囲である。時間領域センサーと静電容量センサーは、一般的にこの要求を満たすことは困難ではないが、落とし穴がある。最も深刻なのは、周囲の媒体の誘電率を正しくサンプリングするセンサーの能力と、塩分を含む土壌で容量性効果と導電性効果を分離するセンサーの能力である。サンプリングの問題については後述する。

塩の問題は、土壌をコンデンサと直列に接続された抵抗器としてモデル化できることを理解することで理解できる。抵抗器の抵抗は土壌のバルク導電率に比例する。コンデンサーの容量は、土壌のバルク誘電率に比例する。土壌の電気伝導率が無視できるほど小さければ、時間領域法または周波数領域法のいずれかによる誘電率の測定は簡単で正確である。

電気伝導度が高くなるにつれ、移動時間を決定するために分析されるTDTやTDRの波形は、特に高周波において、次第に減衰していく。ある時点までは、アルゴリズムによって波の始点と終点を特定することができるが、最終的には信号が識別できなくなる。導波管を短くして再び信号を得ることもできますが、高周波の減衰により、推定されるバルク誘電率が大きくなりすぎ、正しい含水率測定のためにはこの影響を補正する必要があります。このような問題は通常、間隙水ECが2 dS/m以上で発生する。農業生産はこの値の約10倍までのECを持つ土壌で行われることがあるため、これは深刻な制限となり得る。

高い周波数はECの影響を減少させる

周波数領域法も土壌ECの影響を受ける可能性がある。センサーによっては、信号を実部と虚部に分けるものがある。実数部はキャパシタンスによるもので、虚数部は抵抗によるものである。これらのセンサーは2つの成分を別々に測定するため、土壌のECが増加しても問題にはならない。しかし、ほとんどのキャパシタンスセンサーは、この2つの成分を分離することができないため、見かけのキャパシタンスに抵抗部分が加算され、大きな誤差が生じる可能性がある。コンデンサのインピーダンスは周波数によって減少するが、抵抗（虚数成分）は周波数の影響を受けない。したがって、周波数が高くなると、誘電率に比べて土壌の電気伝導率の相対的な影響が小さくなる。したがって、誘電体センサーの周波数が高ければ高いほど、測定値に影響を与えることなく土壌の塩分濃度を高くすることができる。

非塩分土壌では、1～10 MHzの周波数が良好な誘電率測定に適しているが、塩分濃度が高くなると、より高い周波数が必要になる。70MHzで動作する高周波数センサーは、約10 dS/mまで塩分の影響を無視できる。間隙水のECがこれらの閾値を超えると、センサーは依然として含水量による出力の変化を示しますが、出力から計算される誘電率はもはや真の土壌の誘電率ではなくなります。この見かけの誘電率は、問題となっている特定の土壌用に校正することができますが、ECの2%/°Cの温度応答があるため、より強く正の温度応答を示します。

時間領域および周波数領域センサーのサンプリング量

誘電式土壌水分センサーの最大の弱点は、そのサンプリング量にある。時間領域と周波数領域のどちらのセンサーも、センサーの周囲に電界を形成し、電界はセンサー表面付近で最も強く、センサーから離れるにつれて強度が低下します。周囲の媒質の誘電率を上げると、センサー表面付近の電場はさらに強く崩れます。影響場の誘電率が高いまたは低い領域は、場の形状を非線形的に歪ませ、測定された誘電率を場内の物質の誘電率の平均と異なるものにします。センサーとセンサーが感知する媒体との間に空隙があると、測定された誘電率に大きな誤差が生じます。液体の測定は問題なく行えますが、土壌の測定はより困難です。

どちらのタイプのセンサーの影響範囲も、時間領域測定器の場合は導波管の形と大きさ、静電容量センサーの場合はコンデンサープレートの形と大きさによってすべて決まります。これらはセンサーの設計によって異なるが、影響力の大きさはセンサーが時間領域か周波数領域かには依存しない。土壌中のいずれかのセンサーの性能をモデル化しようとする場合、両者に全く同じシミュレーションソフトウェアを使用する。

センサーの実験室およびフィールド評価

無作為に選んだ5つの市販土壌水分センサー (EC-5METER、Pullman、WA）を無作為に5つ選び、校正と評価を行った。広範な土壌タイプを代表するために、4種類の鉱物性土壌（砂丘砂、パターソン砂質壌土、パルースシルト壌土、ヒューストン黒色粘土）を採取した（表2）。土壌は土壌粉砕機で粉砕し、大きなペッドを砕いて均一な梱包を可能にした。さらに、土壌の塩分濃度を広範囲にするため、追加的な処置も行った。

まず、EC値が1～15 dS/mを超える溶液をいくつか調製した。次に土壌を小分けにし、選択した土壌に溶液を加え、土壌の電気伝導度の範囲を作成した。溶液を加えた土壌はオーブン乾燥し、粉砕し、飽和抽出液を使って実際の土壌ECを測定した（U.S. Salinity Laboratory Staff, 1954）。試験、校正、特性評価の手順（下記参照）の間、これらの土壌は蒸留水で湿らせ、塩分濃度が比較的一定に保たれるようにオーブン乾燥した。

表 2.試験した土壌の分画と本来の電気伝導率

土壌	砂	シルト	クレイ	本来の電気伝導率
	----	kg kg-1	----	dS m-1
砂丘の砂	0.87	0.03	0.03	0.04
パターソン砂質ローム	0.79	0.09	0.12	0.34
パルース・シルトローム	0.03	0.71	0.26	0.12
ヒューストン・ブラッククレイ	0.13	0.34	0.53	0.53

土壌中のセンサー校正

センサーの較正は、Starr and Paltineanu (2002)が推奨する手法を適用した。手順の詳細はCobos (2006)による。簡単に説明すると、センサーの周囲に空気で乾燥させた土壌を容器に詰めた。測定値が偏らないよう、土壌を均等に詰めるよう注意した。センサーの読み取り後、小型シリンダーで体積含水率 （VWC）を求め、乾燥炉とスケールを用いて重量含水率を測定した（Topp and Ferre, 2002）。

次の含水量は、土を大きめの容器に入れ、既知の量の水を十分に混ぜてから、再び元の容器に入れたセンサーの周囲に土を詰めて作成した。これを土壌の種類と電気伝導率ごとに4～5回繰り返し、センサーの出力とVWCの相関関係を作成した。土壌の種類と電気伝導率がセンサー出力に及ぼす影響を調べるため、データをプロットした。

統計分析

統計的有意性を判断するため、各校正のデータは一意であるとみなされた。すなわち、各土壌水分量と電気伝導率の測定値を、それぞれ固有の土壌タイプの組み合わせとした。土壌タイプ/EC の組み合わせは、水分量を従属変数、電気伝導率を独立変数とする共分散分析を用いて比較した。共分散分析は、PROC GLM（SAS Institute, 2006）を用いて実施した。土壌タイプ内のセンサーは有意な変動要因ではなかったため（データは示さず）、個々のセンサーは反復観測とみなし、処理効果とはみなさなかった。PROC GLMのestimate関数を用いて、土壌タイプ／ECの組み合わせごとの検量線の傾きを比較した。

センサーの特性評価

土壌要因の交絡に対する推定精度の感度については、すでに述べた通りである。しかし、メーカーが提供する校正式が、典型的な土壌条件下での実際の体積含水量とどのように比較されるかを特徴付ける必要性が残っている。これを検証するために EC-5とThetaProbe（ML2型、Delta-T Devices社、Cambridge、UK）を製造ロットから無作為に選び、砂、シルトローム、粘土、鉢植え土壌で試験した。EC-5 と ThetaProbe (Model ML2, Delta-T Devices, Cambridge, UK) を生産ロットから無作為に選び、砂、シルトローム、粘土、鉢植え土壌で試験した。結果は、直接測定した体積含水率と比較した。結果は、直接測定された体積含水率と比較された。

フィールド評価

EC-5 、3つのセンサーをジャガイモ圃場の深さ15cm、30cm、60cmに設置した。畑はセンターピボット灌漑の下にあり、その頻度は作物のニーズによって変化した。灌漑イベントと灌漑量を記録するため、埋設センサーの上に転倒式バケツ雨量計（分解能1mm）を設置した。センサーの信頼性、灌漑イベントに対する感度、長期安定性を調査するため、生育期全体にわたってセンサーをモニターした。

結果と考察

4つの土壌タイプ（表2）において、5つの標準的なEC-5 センサーを数段階の電気伝導度で校正した結果を図1に示す。試験したすべてのセンサー間で、センサー間の有意なばらつきは観察されなかった（データは示さず）。個々の土壌タイプ／電気伝導度の組み合わせの較正勾配を統計的に比較すると、12本の較正曲線のうち11本で有意な差は見られなかった（表3）。興味深いことに、有意差のあった勾配は、飽和抽出ECが0.7 dS/mのパルース土壌であり、これは試験した3つのパルース土壌の中で中間の電気伝導率であった。土壌の種類と電気伝導率のいずれかが、これらの違いを引き起こしているわけではなさそうである。

表 3.各土壌タイプ／電気伝導率（EC）の組み合わせ間の勾配と統計的比較

土壌タイプ	ソリューションEC (dS m-1）	校正の傾き 曲線 (x 10-1)*.
砂	0.65	9.8a
砂	7.6	9.9a
パターソン	5.3	10.3a
パラス	1.5	10.3a
砂	2.2	10.5ab
パターソン	0.52	11.9ab
パターソン	0.83	12.1ab
パラス	0.2	12.5ab
パターソン	1.7	12.7ab
ヒューストン・ブラック	0.53	12.8ab
パラス	0.7	13.4b
*Slopes followed by the same letter are not significantly different (p <0.01)

異なる塩分濃度での検量線間に有意差がないことは、同様の測定頻度で作動するセンサーに関する知見（Campbell, 1991）を考慮すれば驚くべきことではない。センサーの初期バージョン（EC-20、METER社）の同様のテストでは、土壌タイプによって校正にかなりのばらつきがあることが示された（Campbell, 2001）。図1のデータから、鉱物性土壌で使用する場合、センサーは校正を必要としないことが示唆される。

図2は、同じ5つのセンサー（EC-5 ）を3種類の鉢土で校正したものである。ここでも、センサーの出力は、R2値0.977で、重量測定で得られた体積含水率と直線的に相関している。このデータは、鉢土の混合や電気伝導率に関係なく、試験したどの鉢土にも同じ校正式を使用できることを示している。鉢植え用土の検量線は、上述のように嵩比重が大きく異なるため、鉱物質用土とは異なる。

EC-5 と ML2 でのテストでは、実際の VWC とメーカー校正から生成された VWC との間に非常に良い一致が見られた（図 3）。試験したすべての土壌における両センサーの標準偏差は非常に良好であった（それぞれ、EC-5 とML2で0.0089と0.013 m3^m-3）。

これらのデータから、正確な含水率データはどちらのセンサーでも現場で得られるはずであることが示唆される。しかし、1％のVWC精度仕様（いくつかの製品仕様に記載されている）は、現場はおろか、実験室の条件下でさえも得るのが難しいことは明らかである。

商業用ジャガイモ畑に設置されたセンサーは、生育シーズン全体にわたって信頼性の高い安定した結果を提供した（図4）。図4は、センサがシーズンの一部で激しい灌漑や、作物の成熟サイクルの重要な段階での乾燥にどのように反応したかを示している。深さによる水使用の変化も見ることができ、作物が比較的若いうちは、15cmの水分が30cmより低い。しかし、成熟するにつれて、根はより深く移動し始め、灌漑はより重くなり、両方の深さの含水量は同程度になる。60cmの含水量はシーズン中ずっと一定であり、これは根がその深さからあまり水を摂取していないことと、その深さまで水が移動していないことを示唆している。

図5は、ドライダウン期間とウェットアップ期間の水分量と灌漑データの一部である。これらのデータは、各灌漑イベントに対する含水量センサーの相対応答を示している。灌漑によってプロファイルのどのレベルでも水分が増加したことは明らかであるが、相対的な反応は深いセンサーほど遅れている。60cmのセンサーでは、灌漑水によってセンサーがわずかに反応したが、全体的な変化は、浅いセンサーで見られたような、大きな含水量のスパイクの後の排水ではなく、全般的な含水量の増加であった。

結論

SMSの検量線は、試験したいくつかの鉱物質土壌および鉢植え土壌において、土壌の種類や塩分濃度による有意な影響を受けなかった。この発見は、比較的訓練を受けていないユーザーでも、そのままの土壌にセンサーを設置し、正確な土壌VWCを測定できることを示唆している。モニタリングや制御のアプリケーションの多くは、未知の質感の土壌にセンサーを設置するものであるため、これは特に重要な発見である。さらに、土壌や灌漑水による塩分濃度の変化は、センサーの測定値にほとんど影響しない。これは、この分野における過去のセンサーの失敗を考えると、非常に重要な品質である。さらに、メーカーの校正により、実験室でテストしたすべての土壌で正確な含水率測定が可能であった。ジャガイモ圃場での1シーズンにわたる灌漑とVWC測定から、SMSは堅牢であり、灌漑イベントに対して期待通りに反応することが示された。

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参考文献

Campbell, Colin S. "Response of the_ECH2Osoil moisture probe to variation in water content, soil type, and solution electrical conductivity.".アプリケーションノート、METER、2001年。記事リンク（オープンアクセス）。

Campbell, Jeffrey E. "Dielectric properties and influence of conductivity in soil at one to fifty megahertz." 土壌の誘電特性と導電率の影響。Soil Science Society of America Journal54, no：332-341.記事のリンク

Cobos, Doug R. "Calibrating_ECH2Osoil moisture sensors.".アプリケーションノート、METER社、2006年。記事リンク（オープンアクセス）。

Starr, J. L., and I. C. Paltineanu.「土壌含水量の測定方法：静電容量装置".Methods of Soil Analysis：Part4 (2002).記事のリンク

Topp、G.C.、T.P.A.Ferre.「土壌溶液相。土壌分析法：Part 4(2002)：417-1074

米国塩分研究所スタッフ"塩類およびアルカリ土壌の診断と改良".USDA Handbook 60 ed.U.S. Government Printing Office, Washington, D.C. (1954).

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