DR.ゲイロン・S．キャンベル

工場で使用可能な水をシンプルに

土壌中の水の量と利用可能性（植物が利用できる水）の 両方は、植物の根と土壌に生息する生物にとって重要である。土壌中の水の量を表すには、含水量という用語を用 いる。植物が利用可能な水を表すには、水ポテンシャルという用語を用いる。熱力学では、含水量を拡大変数、水ポテンシャルを 集中変数と呼ぶ。土壌や植物の水の状態を正しく記述するには、この両方が必要である。土壌中の水の状態を記述するだけでなく、土壌中の水の 移動速度を知ることも必要であろう。そのためには、透水係数を知る必要がある。その他の重要な土壌パラメータは、土壌の全空隙、土壌水 の排水上限、土壌中の利用可能な水の下限である。これらの特性は土壌によって大きく異なるため、これらの非常に有用なパラメータと、土質や嵩密度のような測定が容易な特性との相関関係を確立することは有益であろう。本論文では、土壌水プロセスの単純なモデルに必要な情報を提示する。

植物が利用可能な水についてのより詳細な情報については、"Researcher's complete guide to water potential "をダウンロードしてください。

含水率とかさ密度

土壌中の水分量は、含水量として表される。この含水量は、質量ベースまたは体積ベ ースで表すことができる。質量ベースの含水量は、土壌サンプルを105 °Cで乾燥させたときに失われる水の質量を、乾燥した土壌の質量で割ったものである。この定義は、実験室で含水量を測定する際には有用であるが、現場での水分量の測定には特に有用ではない。そこで は、体積基準の含水率がより有用である。これは、土壌の単位体積当 たりに保持される水の体積である。wを質量基準含水比、θを体積基準含水比とすると、次のようになる。

ここで、ρ_{bと ρ}wは嵩密度と水の密度である。土壌の嵩密度は、乾燥土壌質量を土壌体積で割ったものである。水の密度は1^Mg/m3である。鉱物性土壌では、嵩比重は通常1.1～1.7^Mg/m3である。したがって、体積含水比は通常、質量含水比よりも大きい。θは、土壌体積のうち水が占める割合と考えることができる。固形分が占める割合は、嵩比重から計算で きる。

ここで、_ρsは土壌固形物の密度である。通常、2.65^Mg/m3 前後の値を持つ。土壌の全空隙は1 -_fsである。土壌が水で完全に飽和している場合、その含水量は飽和含水量 ρ_sとなる。ρsは、嵩密度から次のように計算で きる。

水ポテンシャルは植物が利用可能な水を示す

土壌に保持されているすべての水が、植物、微生物、昆虫に等しく利用可能なわけではない。植物が利用可能な水を決定する1つの方法は、水ポテンシャル を測定することである。水ポテンシャルとは、水の単位質量当 たりの位置エネルギーのことである。土壌中の水は、土壌マトリクスに付着する力によって保持さ れ、重力吸引力を受け、溶質を含むため、純粋な自由水のエネル ギーに比べて低くなる。したがって、生物は土壌から水を除去するためにエネルギーを消費しなければならない。水ポテンシャルとは、土壌から限りなく少量の水を除去し、それを純粋な自由水の基準プールに輸送するのに必要な、水の単位質量あたりのエネルギーの尺度である。通常、水を除去するにはエネルギーが必 要であるため、水ポテンシャルは負の量となる。単位質量あたりの位置エネルギーについて、水ポテンシャルの単位はJ/kgである。単位体積あたりのエネルギーは、J/^m3、またはN/m、Paとなる。我々はJ/kgを強く支持するが、水ポテンシャルがkPaやMPaで報告されているのを頻繁に目にする。1J/kgは数値的には1kPaにほぼ等しい。

水ポテンシャルには多くの要因が影響するが、生物学的な 意味で最も重要なのは、通常、マトリックポテンシャルである。このポテンシャルは、土壌マトリクスが水を引き寄せるために生じるものであり、したがって、マトリクスの特性とマトリクス中の水分量に強く依存する。ビデオでその仕組みをご覧ください。

図1は、砂質、シルト質、および粘土質の土壌の典型的な水分放出曲線または水分特性を示している。粘土は細孔径が小さく、粒子表面積が大きいため、砂や壌土よりも、ある含水量において水ポテンシャルをより低下させる。図1のような水分特性は、水分ポテンシャルの対数を含水比の対数の関数としてプロットすると直線になる。これらの曲線を記述する式は

ここで、ψ_mはマトリッ クポテンシャル、θは体積含水率、_ψeは土壌の空 気進入ポテンシャル、bは定数である。空気進入ポテンシャルと飽和含水比を1つの定数aにまとめることもある。

だから

空気進入ポテンシャルとb値は、土壌のテクスチャと 構造に依存する。土質は、シルトロームや細砂ロームのような土質 階級の名称、砂、シルト、粘土の分率、または平均粒径 と粒径の標準偏差で指定することができる。後者は、水理特性を決定するのに最も有用である。土壌構造の指標としては、嵩密度または全細孔容積を使用する。

Shiozawa and Campbell (1991)は、シルト分率と粘土分率の測定値を幾何平均粒子径と標準偏差に換算するための関係を次のように示している。

そして

ここで、_{mtと myは}試料中のシルトと粘土の割合、_dgは幾何平均粒径（μm）、_σgは幾何標準偏差である。

水理特性と土質

水理特性と土質および構造との関係は、この分野で多くの研究が行われてきたとはいえ、現時点ではかなり不確かである。以下に挙げるのは、部分的には理論から、部分的には経験的に多くの場所からのデータセットに当てはめることによって導き出された式である。空気進入ポテンシャルのテクスチャーと嵩密度への依存性は、以下の式から計算できる。

ここで_θsは式3から、_dgは式6から。

指数bは次の式から推定できる。

表1には、土壌の12のテクスチャクラスが列挙され、各クラスの中心部のおおよそのシルト分率と粘土分率が示されている。また、各階級の_dg、_σg、_ψe、bの値を示している。

圃場容量と永久萎凋点

含水比の高い土壌では、水は土壌中を急速に移動する。これは主に、重力の下向きの引力と、ほぼ飽和状態の土壌の高い透水係数のためである。しかし、水が土壌から流出するにつれて、透水係数は急速に低下し、移動速度は遅くなる。重力の影響下での水の下方への移動は、-10～-33J/kgの水ポテンシャルで非常に小さくなる。したがって、これらの値以下の電位にある水は、根域内に保持され、植物が取り込むことが可能である（植物利用可能水）。マトリック・ポテンシャルが-10～-33 J/kg（砂質は-10、粘土質は-33）のときの含水量は、圃場容量含水量（θ_fc）、すなわち排水上限値である。これは，大雨や灌漑によって土壌プロフ ァイルが濡れ，蓋をして2～3日放置した場合に予想 される含水量である。言い換えれば、これは、水を加えた直後を除けば、畑の土壌で一般的に予想される最も高い含水率である。

各テクスチャーについて、ρs₌ 0.5と仮定し、式4を用いて-33 J/kgでの含水率の値を計算し、表1に示した。

砂質土は圃場容積でわずか数パーセントの水分しか排出しないが、きめの細かい土は0.3 m3m^-3以上の含水量を持つことがある。しかし、すべての圃場容積の含水比は飽和をはるかに下回っている。嵩比重はテクスチャーに依存する傾向があるため、表に示した値は、現場で見られる値を表すように調整する必要があるかもしれない。砂質の土壌はかさ比重が高く（1.6 Mg/m）、きめの細かい土壌はかさ比重が低い傾向がある。永久萎凋点（PWP）は、この範囲の水ポテンシャルによって植物が枯れるという意味ではない。水を与えない限り、植物が萎れから回復しないことを意味する。多くの樹種は、-1500 J/kgをはるかに下回る電位まで土壌から水を引き抜くことができ、土壌から急速に水を引き抜けば、-1500 J/kgをはるかに上回る電位に保持されている植物が水を利用できなくなる。しかし、この値は、植物が水を抽 出する土壌の含水量のおおよその下限を示す。θs₌ 0.5の場合のθ_pwpの 値も表1に示す。

植物の利用可能水分は、圃場容量と永久萎凋の間に土壌に保持される水分として定義される。これらの値も表1に示す。圃場容積と永続的萎凋点の値には大きなばらつきがあ るにもかかわらず、この値は粗い土質の土壌では低いが、そ の他の土質の土壌では非常に均一である傾向がある。しかし，この表の値を使用する際には注意が必要である。

圃場容量から永久萎凋点を予測する

圃場容積と永久萎凋点はともに基本的な土壌パラメー タから計算できるため、相関関係があるのは当然である。図 2 は、12 のテクスチャクラスすべてについて、永久萎凋水 分量を圃場容積水分の関数としてプロットしたものである。相関関係は良好で、データは2次の多項式によく適合している。この結果は、これらの変数のどちらか一方を知るだけでよく、もう一方は2つの変数の関係から求めることができるということである。

土壌調査データから水理特性を求める

含水率-33 J/kgと-1500 J/kg（1/3 barと15 bar）は、 土壌調査データから得られることが多い。それらがわかれば、式5.5のaとbを求めることができる。式5.5の両辺の対数をとると、ln ψm₌ ln a-b ln θとなる。_θfc = 33およびθ_pwp = 1500と、それらに対応する含水率（対数をとる場合、 ψ_mには正の数を使用する。

使用する _θfcとθ_pwpの 値が体積含水率であることを確認する。ほとんどの実験室データは、オーブン乾燥で測定されるため、質量基準含水率である。質量基準の含水率の場合、aとb の計算に使用する前に、嵩比重と式 1 を用いて体積基準の含水率に変換する。この場合、aの値を求めるのに十分な精度 でbを推定することができる。土壌の利用可能含水量 （植物が利用できる水）をθ_av =_θfc - θ_pwpとする。式5を再整理すると、次のようになる。

bの値を示す他の情報がない場合は、5と仮定する。これにより、a =_637θ5av となる。 aとbの値がわかれば、式5を用いてθ_fcと θ_pwpを求めることができる。土壌表面からの蒸発のモデルで必要となる気乾含水率の推定値は、次式から求 められる。

植物が利用可能な水をモデル化するために必要なすべてのパラメーターを測定する。

水分量と水ポテンシャルの両方は、METER土壌センサーを使用して連続的かつ簡単に測定することができます。 土壌センサー WP4Cは実験室で水ポテンシャルを測定し、永続的な萎凋点の予測に使用することができます。METERは、透水係数や 土壌の質感を測定するその他のフィールドおよびラボ研究用機器も提供しています。ビデオで、土壌の透水特性を評価するために当社のラボ機器がどのように連携しているかをご覧ください。

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参考文献

1.BASICによる土壌物理学：土壌-植物系の輸送モデル。第14巻。Elsevier, 1985.本のリンク

2.Shiozawa, S., and G. S. Campbell."砂，シルト，粘土画分からの平均粒子径と標準偏差の計算について".Soil Science152, no. 6 (1991)：427-431.記事のリンク

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