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水ポテンシャルの測定方法

現在の水ポテンシャル測定法を比較する。それぞれの方法の長所と短所を比較する。

どの水ポテンシャル・センサーが適しているか？

基本的に、水ポテンシャルの主な測定方法は、テンシオメーターと蒸気圧法の2つしかない。テンシオメーターは、水の沸点を遅らせる特殊なテンシオメーターで、0～約-0.2MPaの湿潤領域で機能する。蒸気圧法は乾燥域で、約-0.1MPaから-300MPa（0.1MPaは99.93％RH、-300MPaは11％）。

歴史的には、これらの範囲が重なることはなかったが、最近のテンシオメーターと温度感知技術の進歩がそれを変えた。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であれば、実験室で水ポテンシャルの全範囲を測定することができる。

しかし、二次的な測定法に目を向けるべき理由もある。蒸気圧法はその場では役に立たないし、テンシオメーターの精度は、常に入念なメンテナンスで賄わなければならない（テンシオメーターの自己充填バージョンもあるが）。

さらに、石膏ブロック、プレッシャープレート、ろ紙など、理解すべき伝統的な方法もある。このセクションでは、それぞれの方法の長所と限界について簡単に説明する。

プレッシャープレート

プレッシャープレートは1930年代にL.A.リチャーズによって導入された。実際に試料の水ポテンシャルを測定するわけではない。その代わり、試料に圧力をかけ、余分な水を多孔質のセラミックプレートを通して流出させることで、試料を特定の水ポテンシャルに近づけます。サンプルが平衡状態になると、その水ポテンシャルは加えた圧力と同じになる。

加圧プレートは通常、土壌水分特性曲線を作成するために使用される。加圧下で土壌サンプルが特定の水ポテンシャルに達すると、研究者はプレートからサンプルを取り出して乾燥させ、含水率を測定することができる。圧力板装置で異なる圧力でこれらの測定を行うことで、土壌水分特性を作成することができる。

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、重要である。

プレッシャープレートには均衡の問題がある

加圧プレートで正確な水分放出曲線を作成するためには、試料が指定された圧力で完全に平衡状態になった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)を含む何人かのレビュアーは、この仮定に問題があることを指摘しています。

特に低水ポテンシャルでの誤差は、プレッシャープレートのセラミック内の孔の詰まり、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の水理学的接触の喪失、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生じる可能性がある。低水ポテンシャルでは、透水係数が低いため、平衡に数週間から数カ月を要することもある。Gee ら（2002）は、15 bar のプレッシャー・プレート上で 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 であることを発見した。特に、透水係数を推定し、植物が利用可能な水分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）未満の電位での圧力板測定は、大きな誤差を引き起こす可能性がある（Bittelli and Flury, 2009）。

さらに、Baker and Frydman (2009)は、正圧下と吸引下とでは土壌マトリックスの排水が異なることを理論的に立証している。彼らは、吸引によって達成される平衡含水量は、自然条件下で発生する含水量とは大きく異なると仮定している。逸話的証拠はこの考えを支持しているようだが、さらなるテストが必要である。最終的には、プレッシャープレートは湿潤範囲（0～-0.5MPa）では用途によっては十分な精度を持つかもしれないが、他の方法ではより高い精度が得られる可能性がある。

蒸気圧法

WP4C 露点湿度計は、現在この技法を用いた数少ない市販機器のひとつである。従来の熱電対式湿度計と同様に、露点湿度計は密閉されたチャンバー内で試料を平衡化します。

A photograph of WP4C dew point potentiameter — WP4C 露点電位差計

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バージョンは、-5～-300MPaで±1％の精度を持ち、使い方も比較的簡単である。湿ったサンプルは時間がかかるが、多くのサンプルタイプは5分から10分で分析できる。

制限事項

高い水ポテンシャルでは、飽和蒸気圧とサンプルチャンバー内の蒸気圧の温度差は消失するほど小さくなる。

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だろう。

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ーを使用し、250cm^3の飽和土壌サンプル内の異なるレベルの水ポテンシャルを、サンプルが実験室の天秤の上に静止している間に測定する。時間の経過とともに試料は乾燥し、測定器は変化する水ポテンシャルと変化する試料重量を同時に測定する。重量測定値から含水率を計算し、含水率の変化に相関す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する。

メリット

Hyprop は精度が高く、湿潤域で完全な水分放出曲線を作成する。曲線が完成するまで3～5日かかるが、装置は無人で作動する。

制限事項

Hypropただし、ミニテンシオメーターは沸騰リタデーション機能を備えているため、-250kPa（-0.25MPa）を超える測定に使用されている。

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、定義によれば、サンプルの水と、基準となる純水のプール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ある。テンシオメーターはこの定義を実現したものです。

テンシオメーターチューブには、（理論的には）純粋な自由水が溜まっている。この貯水池は（透過性の膜を通して）土壌サンプルとつながっている。熱力学第二法則のおかげで、水は膜の両側でエネルギーが等しくなるまで貯水池から土壌へと移動する。その結果、チューブ内は真空状態になる。テンシオメーターは、負圧計（バキュメーター）を使ってその真空の強さを測定し、水のポテンシャルを圧力で表す。

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（最初のコンセプトは、少なくとも1908年のリビングストンにまでさかのぼる）だが、今でもかなり役に立つ。実際、湿潤域では、高品質のテンシオメーターを巧みに使えば、優れた精度を発揮することができる。

A photograph of the TEROS 32 tensiometer — TEROS 32はベストセラーのテンシオメーター

制限事項

テンシオメーターの測定範囲は、チューブ内の水が真空に耐えられるかどうかによって制限される。水は基本的に非圧縮性ですが、エッジや砂利のような水面の不連続面が核となり、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-80kPa付近でキャビテーションを起こす。

しかし、ドイツのMETER Group Agは、、精密なドイツのエンジニアリング、綿密な構造、細部への狂信的な注意のおかげで、現代の名品となったテンシオメーターを製造している。これらのテンシオメーターは、驚異的な精度を持ち、レンジは（慎重に操作すれば）-250kPaまで可能である。

二次的手法：水分の特性を利用する

含水率は水ポテンシャルよりも測定しやすい傾向にあり、2つの値は関連しているため、含水率の測定値を用いて水ポテンシャルを求めることが可能である。

特定の土壌基質への水の吸着とそこからの水の脱着に伴って、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る。

A graph of soil moisture release curve — **図1.**土壌水分放出曲線。

水を保持できるすべてのマトリックスは、指紋のように独特で特徴的な水分特性を持っている。土壌では、組成やテクスチャーのわずかな違いが水分特性に大きな影響を与える。

研究者の中には、特定の土壌タイプに対する水分特性を開発し、その特性を用いて含水量測定値から水ポテンシャルを決定する者もいる。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することで、より単純なアプローチをとっている。

マトリック電位センサー

マトリック・ポテンシャル・センサは、水分特性が既知の多孔質材料を使用する。すべてのエネルギーシステムは平衡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が平衡になる。

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・センサーの精度は、最高ではあるが、優れているわけではない。最悪の場合、この方法は、土壌が湿っているのか乾いているのかを知ることができるだけである。センサーの精度は、多孔質材料用に開発された水分特性の質と、使用する材料の均一性に依存する。精度を高めるには、使用する特定の材料を一次測定法で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含水率の変化の速さによって決まります。精度は含水率測定の質によって決まります。

精度は温度感度の影響を受けることもある。この方法は等温条件に依存するが、これを達成するのは困難である。センサーと土壌の温度差は大きな誤差の原因となる。

範囲限定

すべてのマトリックポテンシャルセンサーは、透水係数の制限を受ける。土壌が乾燥するにつれて、多孔質材料が平衡化するのに時間がかかる。また、含水比の変化も小さくなり、測定が困難になる。湿潤側では、センサーの範囲は、使用される多孔質材料の空気進入電位によって制限される。

ろ紙

ろ紙法は、1930年代に土壌科学者によって、当時利用可能であった方法に代わる方法として開発された。多孔質媒体として、特定のタイプのろ紙（Whitman No.42 Ashless）が使用される。試料はろ紙培地で平衡化される。試料は密閉された恒温槽でろ紙と平衡化される。濾紙の重量含水率は乾燥オーブンを用いて測定し、水ポテンシャルは濾紙の所定の水分特性曲線から推測する。Dekaら（1995）は、完全な平衡化には少なくとも6日間が必要であることを明らかにした。

レンジ

ろ紙は、完全に平衡化させれば-100MPaまでが一般的な測定範囲とされている。しかし、図示したように、水ポテンシャルがゼロ付近では、温度勾配による誤差が例外的に大きくなる。

この方法は安価で簡単だが、正確性に欠ける。等温条件が必要だが、その実現は難しい。わずかな温度変化で大きな誤差が生じることもある。

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、灌漑事象の簡単な指標としてよく使用される。石膏ブロックは、周囲の土壌の変化に反応する石膏のブロックの電気抵抗を測定する。電気抵抗は水位に比例する。

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。

デメリット

測定値は温度に依存し、精度は非常に低い。また、石膏は時間の経過とともに、特に塩分を含む土壌では溶解し、校正特性を失う。石膏ブロックはウェットかドライかを教えてくれるが、それ以上のものではない。

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

石膏ブロックのように、粒状マトリックセンサーは多孔質媒体中の電気抵抗を測定する。石膏の代わりに、合成膜と保護用ステンレス・スチール・メッシュに囲まれた粒状石英を使用している。

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・ディスクを使用する。センサーの品質はセラミック特有の性質に依存する。

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：

A diagram of a heat dissipation sensor — 放熱センサー

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、セラミックの含水率を測定する。ヒーターと熱電対を内蔵したセラミックシリンダーを使用し、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。温度変化と対数時間をプロットすることで、セラミックの含水率が決定される。含水率は、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、大きな電力備蓄のあるシステム（例えば、Campbell Scientific社製データロガーまたは同等のもの）から電力を供給されなければならないことに注意してください。

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である。

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。

A photograph of TEROS 21 water potential sensor (or matric potential sensor) — TEROS 21 水ポテンシャルセンサー（またはマトリックポテンシャルセンサー）

誘電マトリックス電位センサー

誘電体母電位センサーは、セラミック・ディスクの電荷蓄積容量を測定し、その含水量を決定する。その後、ディスクの水分特性を利用して、含水率を水ポテンシャルに変換します。

誘電体技術を使用しているため、センサーは水中のわずかな変化に非常に敏感である。他のセラミックベースのセンサーと同様、マトリックポテンシャルセンサーも、精度を上げるためにはカスタム校正が必要です。

メリット

誘電体母電位センサーは低消費電力でメンテナンスフリー。

デメリット

校正なしの場合、センサーの精度は読み取り値の±40％に過ぎない。しかし、最近のカスタム校正バージョンのセンサーは、読み取り値の±10％の精度を約束している。

水ポテンシャル201：正しい測定器の選択

コリン・キャンベル博士のウェビナーでは、水ポテンシャル測定器の理論について、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び方、使い方などを解説します。