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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し、それぞれの方法の長所と短所を比較します。

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（土壌吸引力）の測定方法は主に2つ、テンシオメーターと蒸気圧法の2つしかありません。テンシオメーターは湿潤領域で測定します。水の沸点を遅らせる特殊なテンシオメーターは、0～約-0.2 MPaの範囲で測定できます。蒸気圧法は乾燥領域で測定します。約-0.1 MPa～-300 MPa（0.1 MPaは湿度99.93%、-300 MPaは湿度11%）の範囲です。

歴史的に、これらの範囲は重なることはありませんでしたが、近年のテンシオメーターと温度センサー技術の進歩により、状況は変わりました。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が、実験室で水ポテンシャルの全範囲を測定できるようになりました。

しかし、二次的な測定方法を検討する理由もあります。蒸気圧法は現場では役に立たず、テンシオメーターの精度を維持するには、継続的な慎重なメンテナンスが必要です（ただし、自動充填式のテンシオメーターも利用可能です）。

さらに、石膏ブロック、圧力板、ろ紙といった伝統的な方法も理解しておく必要があります。このセクションでは、それぞれの方法の長所と短所について簡単に説明します。

プレッシャープレート

圧力プレートは1930年代にL.A.リチャーズによって導入されました。これはサンプルの水ポテンシャルを実際に測定するものではありません。サンプルに圧力を加え、余分な水を多孔質セラミックプレートから排出することで、サンプルを特定の水ポテンシャルにまで高めます。サンプルが平衡状態に達すると、その水ポテンシャルは加えられた圧力に等しくなります。

加圧プレートは、土壌水分特性曲線を作成するために一般的に使用されます。土壌サンプルが加圧下で特定の水ポテンシャルに達すると、研究者はサンプルをプレートから取り出し、乾燥させて水分含有量を測定します。加圧プレート装置内で異なる圧力でこれらの測定を行うことで、土壌水分特性曲線を作成できます。

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、重要です。

プレッシャープレートには均衡の問題がある

圧力板を用いて正確な水分放出曲線を作成するには、サンプルが所定の圧力で完全に平衡状態にある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) を含む複数の査読者は、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、ベイカーとフライドマン（2009）は、土壌マトリックスの排水が正圧下と吸引下で異なることを理論的に証明しています。彼らは、吸引によって達成される平衡水分量は、自然条件下でのものと大きく異なると仮定しています。事例証拠はこの考えを裏付けているようですが、さらなる検証が必要です。結局のところ、圧力プレートは湿潤範囲（0～-0.5 MPa）において一部の用途では十分な精度を発揮するかもしれませんが、他の方法の方がより高い精度が得られる可能性があり、これはデータをモデリングやキャリブレーションに使用する際に特に重要となる可能性があります。

蒸気圧法

WP4C露点湿度計は、現在この技術を採用した数少ない市販機器の一つです。従来の熱電対乾湿計と同様に、この露点湿度計は密閉されたチャンバー内でサンプルを平衡化させます。

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版は、-5～-300MPaの範囲で±1%の精度を誇り、比較的使いやすいです。多くのサンプルは5～10分で分析できますが、湿ったサンプルの場合はさらに時間がかかります。

制限事項

水ポテンシャルが高い場合、飽和蒸気圧とサンプル室内の蒸気圧の間の温度差は無視できるほど小さくなります。

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でしょう。

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を用いて、飽和状態の250cm³の土壌サンプルを実験室の天秤に載せた状態で、異なるレベルの水ポテンシャルを測定します。時間の経過とともにサンプルは乾燥し、装置は水ポテンシャルの変化とサンプル重量の変化を同時に測定します。重量測定値から水分含量を計算し、水分含量の変化と相関関係にあ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します。

メリット

Hypropは高精度で、湿潤領域における完全な水分放出曲線を生成します。曲線の作成には3～5日かかりますが、装置は無人で稼働します。

制限事項

Hyprop の範囲はテンシオメータの範囲によって制限されますが、ミニテンシオメータは沸騰遅延機能を備えているため、-250 kPa (-0.25 MPa) を超える測定に使用されています。

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、定義上、試料中の水と純粋な自由水プール内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す。テンシオメーターはこの定義を具体化したものです。

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。

テンシオメーターチューブには、（理論上は）純粋な自由水が溜まっています。この貯水池は（透過膜を介して）土壌サンプルに接続されています。熱力学第二法則により、水は貯水池から土壌へと移動し、膜の両側でエネルギーが等しくなります。これによりチューブ内に真空状態が生じます。テンシオメーターは負圧計（真空計）を用いてこの真空の強さを測定し、水ポテンシャルを圧力で表します。

メリット

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。

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（最初の概念は少なくとも1908年のリビングストンに遡る）ですが、今でも非常に有用です。実際、湿潤領域では、高品質のテンシオメーターを巧みに使用すれば、優れた精度が得られます。

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、チューブ内の水の真空耐性によって制限されます。水は本質的に非圧縮性ですが、水面のエッジや砂粒などの不連続部が核生成点となり、そこで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、プラントで利用可能な圧力範囲のちょうど中央、-80 kPa付近でキャビテーションを発生します。

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、細部への徹底的なこだわりによって、現代の名品となったテンシオメーターを製造しています。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まで測定範囲を拡張できます。

二次的手法：水分の特性を利用する

水分含有量は水ポテンシャルよりも測定しやすい傾向があり、2つの値は関連しているため、水分含有量の測定を使用して水ポテンシャルを見つけることが可能です。

特定の土壌マトリックスに水が吸着され、そこから脱着されるときに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ます。

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

水分を保持できるあらゆる基質は、指紋のようにそれぞれが異なり、特徴的な水分特性を持っています。土壌においては、組成や質感のわずかな違いでさえ、水分特性に大きな影響を与えます。

一部の研究者は、特定の土壌の種類における水分特性を開発し、その特性を用いて水分含有量の測定値から水ポテンシャルを測定しています。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したよりシンプルなアプローチを採用しています。

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ーは、水分特性が既知の多孔質材料を使用します。すべてのエネルギーシステムは平衡状態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平衡状態になります。

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は、最高の精度を誇りますが、非常に優れているわけではありません。最悪の場合、この方法では土壌が湿潤しているか乾燥しているかしか判断できません。センサーの精度は、多孔質材料に求められる水分特性と、使用する材料の均一性に依存します。高い精度を得るには、使用する材料を一次測定法を用いて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水分量の変化速度に依存します。精度は水分量測定の質によって決まります。

精度は温度感度にも影響を受ける可能性があります。この方法は等温条件に依存しており、その実現は困難です。センサーと土壌の温度差は大きな誤差を引き起こす可能性があります。

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によって制限されます。土壌が乾燥するほど、多孔質材料の平衡化に時間がかかります。また、水分量の変化も小さくなり、測定が困難になります。湿潤側では、センサーの測定範囲は、使用している多孔質材料の空気侵入ポテンシャルによって制限されます。

ろ紙

ろ紙法は、1930年代に土壌科学者によって、当時の既存の方法に代わる方法として開発されました。多孔質媒体として、特定の種類のろ紙（Whitman No. 42 Ashless）を使用します。サンプルはろ紙媒体と平衡化されます。サンプルは、密閉されたチャンバー内で一定温度に保たれたろ紙と平衡化されます。ろ紙の重量水分含有量は乾燥オーブンを用いて測定され、ろ紙の水分特性曲線から水ポテンシャルが推定されます。Dekaら（1995）は、完全な平衡化には少なくとも6日間必要であることを発見しました。

レンジ

ろ紙の圧力範囲は、完全に平衡状態に達するまで-100 MPaまで許容されると一般的に認められています。しかし、図示されているように、水ポテンシャルがゼロ付近では温度勾配による誤差が非常に大きくなります。

この方法は安価でシンプルですが、正確ではありません。等温条件が必要であり、その実現は困難な場合があります。わずかな温度変化でも大きな誤差が生じる可能性があります。

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、灌漑活動の簡易指標としてよく使用されます。石膏ブロックは、周囲の土壌の変化に反応する石膏ブロックの電気抵抗を測定します。電気抵抗は水ポテンシャルに比例します。

メリット

石膏ブロックは驚くほど安く、かなり使いやすいです。

デメリット

測定値は温度に依存し、精度は非常に低いです。また、石膏は時間の経過とともに、特に塩分を多く含む土壌では溶解し、校正特性を失います。石膏ブロックは湿潤状態か乾燥状態かは分かりますが、それ以上のことは分かりません。

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

石膏ブロックと同様に、粒状マトリックスセンサーは多孔質媒体内の電気抵抗を測定します。石膏の代わりに、合成膜と保護用のステンレス鋼メッシュで囲まれた粒状石英が使用されています。

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します。センサーの品質は、セラミックの特定の特性によって決まります。

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水分含有量を測定します。ヒーターと熱電対を内蔵したセラミックシリンダーを用いて、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。温度変化と時間の関係をプロットすることで、セラミックの水分含有量を算出します。水分含有量は、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、十分な電力を蓄えたシステム（例：Campbell Scientificデータロガーまたは同等の機器）から電源を供給する必要があります。

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

誘電マトリックス電位センサーは、セラミックディスクの電荷蓄積容量を測定して水分含有量を判定します。そして、ディスクの水分特性を用いて、水分含有量を水ポテンシャルに変換します。

誘電技術を採用しているため、センサーは水の小さな変化に非常に敏感です。他のセラミックベースのセンサーと同様に、マトリック電位センサーも高い精度を得るにはカスタムキャリブレーションが必要です。

メリット

誘電マトリックス電位センサーは低消費電力でメンテナンスフリーです。

デメリット

キャリブレーションなしの場合、センサーの精度は読み取り値の±40%に過ぎません。しかし、最近のカスタムキャリブレーション版のセンサーでは、読み取り値の±10%の精度が保証されています。

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。