貢献者

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、土壌の水は溶質で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。自由な水は、エネルギーを使わずに利用できる。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。

研究者のための水ポテンシャル完全ガイド」をダウンロードする

インテンシブ変数とエクステンシブ変数

環境中の水の動きは、まさに物理学の問題であり、それを理解するためには、集中変数と拡大変数を区別しなければならない。広範な変数は、物質やエネルギーの範囲や量を表す。集中変数は、物質やエネルギーの強度や質を表す。例えば、物質の熱的状態は、熱量と温度の両方で記述することができる。

この2つの変数は関連しているが、同じではない。熱量は質量、比熱、温度に依存する。熱量を測定しても、他の物体に触れたときに熱が伝わるかどうかはわかりません。つまり、その物体が熱いか冷たいか、触れても安全かどうかもわからない。

集中変数である温度を知っていれば、これらの質問に答えるのははるかに簡単である。実際、集約的変数と広範変数の両方を測定することは重要であるが、集約的変数の方がより有用な情報を与えてくれることが多い。水に関して言えば、広範な変数とは含水量であり、植物組織や土壌に含まれる水の範囲や量を示す。集中変数は水ポテンシャルで、植物組織や土壌中の水の強度や質を表す。水の利用可能性と移動に関す る多くの疑問は、土壌の水ポテンシャルを測定することで 最もよく答えられる。

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1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2では、土壌は-0.3MPaで、根は-0.5MPaとわずかにマイナスである。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。

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、含水量とは異なり、植物の最適な水分は、非常に湿っている側の約-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。 植物によっては、-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ついて、簡単に参照できる目盛りを示したものである。 植物は、この水ポテンシャルの快適な範囲内に保たれていれば、ストレスを受けず、収量も多くなる。

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3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。

土壌水分ポテンシャルがどのように植物の水利用可能性を示すかについて詳しくは、「いつ水をやるべきか：二重測定が謎を解く"と "土壌水分センサーが知るべきことをすべて教えてくれない理由"をお読みください。

水ポテンシャルの名称、範囲、単位

図4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。

• マトリックス電位： 水の表面への結合力
• OSMOTIC POTENTIAL：水中の溶質に結合する。
• 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5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。

土壌水分パワーツール

土壌水分放出曲線（土壌水特性曲線）は、水ポテンシャル と含水量の関係を示すもので、物理的な指紋のようなもので、土 壌タイプごとに固有のものである。特定の土壌における水の運命を理 解し、予測するために、研究に利用することができる。水分放出曲線は、次のような重要な疑問に答えるものであ る： 土壌中の水分はすぐに排出されるのか、それとも根域に留ま 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。

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。または下のビデオをご覧ください。

テンシオメーターと TEROS 21は、どちらも現場で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ある。

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を知るには、"どの土壌センサーが最適か？"をお読みください。または、コリン・キャンベル博士のウェビナー「水ポテンシャル201」をご覧ください：このウェビナーでは、水ポテンシャル測定器の理論、水ポテンシャル測定の課題、テンシオメーターなどの様々な水ポテンシャル測定器の選び方や使い方、TEROS 21、 WP4C, HYPROPなどがある。

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。

基本をマスターする

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、主要な構成要素について解説します。