土壌水分センサーがすべてを教えてくれない理由
正確で安価な土壌水分センサーにより、土壌VWCは当然のことながら一般的な測定法となっているが、それはあなたの用途に適した測定法なのだろうか？
実験室用と現場用の測定器-両方を使うべき理由
研究者が実験室や野外で土壌の透水特性を測定する場合、その測定結果はおそらく全体像の一部しか見ていない。実験室のシステムは、制御された条件のため非常に正確であるが、実験室での測定では、土壌の水文学に影響を与える可能性のある根、亀裂、ワームホールなどの現場のばらつきは考慮されない。さらに、研究者が現場から研究室にサンプルを持ち込む際、サンプリング過程で土壌のマクロ孔を圧縮し、土壌の透水特性を変化させることがよくある。
フィールド実験は、研究者が変動性やリアルタイムの状況を理解するのに役立つが、逆の問題もある。圃場は非制御系である。水は、蒸発、植物の取り込み、毛管上昇、深部排水によって土壌プロフィールを移動するため、さまざまな深さや場所で多くの測定を行う必要がある。畑の研究者は、天候の予測不可能性にも対処しなければならない。実験室では1週間しかかからないのに、降雨のためにフィールドでの乾燥実験が夏中かかることもある。
| ラボ | 測定 | フィールド |
|---|---|---|
| PARIO | 土質 | |
| HYPROP | 水ポテンシャル（湿潤範囲） | テンシオメーター (TEROS 32) |
| WP4C | 水ポテンシャル（乾燥範囲） | TEROS 21 |
| HYPROPおよびオーブン乾燥方法 | 水分 | 体積含水率センサー |
| KSAT | 飽和透水係数 | SATURO(飽和状態） |
| HYPROP | 不飽和透水係数 | Mini disk infiltrometer |
全体像の拡大
各手法の長所と限界を理解しながら、実験室と野外の両方の技術を使用する研究者は、土壌プロファイルで何が起こっているかの理解を飛躍的に高めることができる。例えば、実験室では、研究者は土質分析装置を使 用する。 PARIOを使用して、完全な粒度分布を含む正確な土 質データを得ることができる。次に、これらのデータを HYPROP-生成された土壌水分放出曲線とそれらのデータを組み合 わせることで、その土壌の透水特性を理解することができる。その研究者が、実際の現場条件を理解するために高品質の現場データを追加すれば、突然、全体像が見えてくる。
以下では、研究室と野外の測定器、および研究者が土壌プロフィールの理解を深めるためにこれらの測定器をどのように組み合わせることができるかについて説明する。各トピックの詳細については、リンクをクリックしてください。
| 強み | 制限事項 | |
|---|---|---|
| 実験器具 |
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| フィールド計測 |
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粒度分布とそれが重要な理由
土壌の種類と粒度分析は、土壌とその固有の特性を知る最初の窓である。すべての研究者は、データのベンチマークを行うため に、自分が扱っている土壌のタイプを特定すべきである。研究者が土壌タイプを理解していなけれ ば、含水量に基づいて土壌水の状態を推測することができな い（すなわち、植物を扱う場合、植物が利用可能な水があ るかどうかを予測することができない）。さらに、土壌の水平層における土壌タイプの違いは、研究者の測定の選択、センサーの選択、センサーの配置に影響を与える可能性がある。
粒度分析では、土壌を構成する粗い物質と細かい物質の割合を定義する。この知識があれば、研究者は特定の土壌がどの程度強く水を保持できるかを推定することができる。粒度分析は、土壌タイプの単純な定義を超えている。粒度分析 は、砂、シルト、粘土の各分布における粒度の独特な分布 を示す、土壌指紋のような役割を果たす。この情報は、収縮膨潤土壌が経時的にどのように反応するかを地盤工学エンジニアが理解するのに役立つこともあれば、生産者の灌漑決定に影響を与えることもある。また、粒度分布は、土壌がどのように形成されたか、または最終的にどのような構造を形成するかについての洞察も与えてくれるかもしれず、飽和透水係数に影響する。
歴史的に、研究者はリボンテスト、ピペット法、時間のかかる比重計法などの粗雑な方法を用いて土質を特定してきた。 PARIOPARIO は、細粒シルト、中粒シルト、粘土、砂の割合の内訳を含む、完全な粒度分布分析を研究者に提供する。分析結果を取得した後、ソフトウェアがUSDAの土質三角形上の位置を自動的に計算し、土質を正確に特定する。
研究者は、土壌を理解するための第一歩として、PARIO 。そうすることで、研究目標に最も効果的なラボやフィールドの測定器を決定することができる。
水分放出曲線は土壌のロゼッタストーンである
土壌の種類によって、水分放出曲線（または土壌水分特性曲線）は異なる。 研究者は、水分放出曲線を用いて、ある土 壌の水分が経時的に変化した場合に、土壌や植物がど のように反応するかを理解する。これは、利用可能な水分量（水ポテンシャル）と比較して、水分量（含水量）がどの程度早く変化するかを示すものである。
![A graph showing a Soil moisture release curve (or soil water characteristic curve [SWCC])](https://metergroup.com/app/uploads/2023/05/soil-moisture-release-curve-1-1.jpg)
水分放出曲線は、研究者が水が移動するかどうか、どこへ移動するかを予測するのに役立つ。また、水分放出曲線は、異なる含水比の植物が時間とともにどれだけの水を利用できるようになるかも示している。例えば、飽和状態に近い砂では、含水率は時間とともに急速に変化するが、水ポテンシャルはわずかにしか低下しない。これは、砂の気孔が大きく表面積が小さいため、水をしっかりと保持できず、より利用しやすくなるためである。逆に、飽和に近い粘土では、水分量の変化は緩やかであるが、水ポテンシャルの変化は比較的早い。これは、粘土の表面積が高く、細孔が小さいため、水をしっかりと保持し、植物や水の移動のために放出する量が少ないからである。水分放出曲線は、含水量と水ポテンシャルの関係を示 し、土壌がどのような条件下でどのような挙動を示 すかを研究者に示すものである。
水分放出曲線を作る理由と方法については、こちらをご覧ください。
HYPROP土壌水分放出曲線の専門家
水分放出曲線を作成する最も簡単な方法は、実験室で行うことです。この装置 HYPROPは、Wind/Schindler蒸発法を使用して、テンシオメーター範囲（最も水が移動する範囲）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。2台の高精度テンシオメーターを使用し、0～-100kPaの範囲で100点以上のデータを自動的に作成する。曲線が完成するまでに3～5日かかるが、装置は無人で作動する。HYPROPの測定範囲はテンシオメーターの範囲によって制限されるが、WP4C と組み合わせることで、全水分範囲にわたる水分放出曲線を作成することができる。
HYPROP とWP4C を組み合わせ、水分を完全に放出する曲線を描く。
は WP4Cは、密閉チャンバー内のサンプル上空の空気の相対湿度を測定することで、乾燥域の水ポテンシャルを測定する実験装置です。試料がWP4Cの密閉されたチャンバー内の蒸気と平衡状態になると、装置はチルドミラー法を用いて相対湿度を求める。この方法では、チャンバー内の小さな鏡を露ができ始めるまで冷やします。 露点で、WP4C は鏡と試料の温度を0.001 °Cの精度で測定します。これにより、WP4C 、-0.05 MPa～-300 MPaの範囲で比類のない精度で水ポテンシャルを測定することができます。
WP4C 、HYPROP と併用することで、土壌中の水分量の全範囲にわたる完全な土壌水分放出曲線を作成することができます。この仕組みをビデオでご覧ください。これは、PARIO から抽出した情報と組み合わせることで、土壌の透水特性を理解するための強力なツールとなります。
HYPROP とWP4C を組み合わせて、完全な水分放出曲線を描く方法を学ぶ。
現場での水分放出曲線？はい、可能です
HYPROP および WP4Cは、高速で正確な土壌水分放出曲線（土壌水分特性曲線-SWCC）を作成する能力を提供するが、実験室での測定にはいくつかの限界がある：サンプルの処理能力によって作成できる曲線の数が制限され、実験室で作成された曲線は原位置での挙動を表すものではない。しかし、実験室で作成された土壌保水曲線は、原位置での水分放出曲線からの情報と組み合わせることで、実環境の変動をより深く理解することができる。マトリックポテンシャルセンサーと含水量センサーを原位置に設置することで、研究者の知識ベースにさらに多くの水分放出曲線が追加される。また、地盤工学エンジニアや灌漑科学者にとって最大の関心事は主に不飽和土壌の原位置性能であるため、実験室で作成した曲線に原位置測定を追加することは理想的です。Campbellら（2018）による最近の論文「Comparingin situsoil water characteristic curves to those generated in the lab」は、Pan American Conference of Unsaturated Soilsで発表されたもので、TEROS 21calibrated matric potential sensorとMETERの soil moisture sensorsを使用して原位置で生成されたSWCCが、ラボで作成されたものと比較してどの程度優れているかを示している。現場とラボのSWCCはかなりよく比較されたが、いくつかの要因によって一致度が低下した。テクスチャーの粗い土壌では、生きている根を取り除くと土壌の吸引力が増すにつれて乖離が生じ、無傷のコアサンプルは撹乱されたものよりも有利に比較された。よりきめの細かい土壌では、比較は良好であったが、実験室サンプルが撹乱された場合にも影響を受けた。このデータから、不飽和土壌の挙動をより確実に理解するために、原位置センサーが実験室データの重要な補強となり、さまざまなSWCCを開発できることが示唆された。
実験室やフィールドで、透水係数を混ぜたり、合わせたり、比較したりすることができます。
実験室での土壌水分放出曲線と原位置での土壌水分放出曲線のように、実験室と現場での飽和透水係数と不飽和透水係数の測定を併用することで、あらゆる種類の土壌の透水特性をより深く理解することができる。異なる深さや場所でのこれらの測定値を比較することで、様々な土壌の地層に関する洞察が得られ、研究者がそれぞれの地層からの長期的な浸透データを理解するのに役立つ（すなわち、ある地層が飽和状態になった場合、流出モデルはどのように変化するのか？）
科学者は、現場で水がどのように浸透するかを判断するために現場測定器を使用することができ、最も制限的な地層を特定するために実験室での測定を追加することができる。例えば、地表の地層は砂質ロームかもしれないが、PARIO 、より深い層は粘土分が多く透水係数が低いことが判明するかもしれない。実験室での測定と現場での測定を併用することで、湿潤時に透水係数を低下させる原因となっている地層を特定することができます。
の現場飽和透水係数データから、このデータを補強することができる。 SATUROからの飽和透水係数データは KSATラボ測定で補強することができる。 によって生成された不飽和透水係数のフィールドデータは、研究者がラボの不飽和透水係数データ と組み合わせることで、より深いレベルで理解することができる。 Mini Disk InfiltrometerHYPROP HYPROP は、水分放出曲線を生成するのと同じ内部テンシオメーターを使用して不飽和透水係数を自動的に測定し、飽和透水係数をモデル化します。通常、研究室での測定と現場での測定は、現実世界でのばらつきのために一致しませんが、情報を一緒に分析することで、より大きな洞察が得られます。
透水曲線でわかること
研究者はまた、KSAT とHYPROP という2つの実験室機器から得られた透水係数データを組み合わせて、完全な透水係数曲線を作成することもできる（図2）。透水係数曲線は、与えられた水ポテンシャルにおいて、土壌が水を 伝導する能力（すなわち、土壌が乾燥するにつれて、水がサンプルの最上 部（または圃場の土壌層）から底部へ移動する能力）を示す。これらの曲線は、変動する水分条件下で土壌系内を移動する水に何が起こるかを図示または予測するために、モデリングに使用される。
以下のビデオでは、土壌水分の専門家、レオ・リベラが透水係数と透水係数曲線の基礎について教えています。
より多くの楽器がデータのシンフォニーを奏でる
含水率のような単一のパラメータのみを測定す れば、研究者は土壌を理解するための出発点を得るこ とができるが、土壌のタイプ、水ポテンシャル、透水係数の ような他の情報を知らなければ、その水分のパーセンテージ が何を物語っているのかを理解することはできない。土壌を深く理解するために、研究者は粒度分布、透水 性曲線、水分放出曲線を併用することで、最も正確で包括 的な情報を得ることができる。2つの異なるタイプの曲線を使用することで、研究者は、無土壌基質における二重空隙率の水分放出曲線など、不明瞭な問題を分離することもできます。実験室と現場の機器を併用することで、研究者は情報のシンフォニーを得ることができ、データを理解し、土壌の長期的な挙動を予測するための強力なツールとして使用することができる。
土壌水分マスタークラス
6つの短いビデオで、土壌含水量と土壌水ポテンシャルについて知っておくべきこと、そしてなぜそれらを一緒に測定する必要があるのかをすべて学ぶことができます。 さらに、土壌の透水係数の基本もマスターしましょう。
質問は？
当社の科学者は、研究者や生産者が土壌-植物-大気の連続体を測定するのを何十年も支援してきた経験がある。
測定に関する洞察
土壌水分センサー：どの土壌センサーが最適か？
METER土壌センサーを使用した何千もの査読付き出版物の中で、どのタイプが最も好ましいというものはありません。したがって、センサーの選択はニーズとアプリケーションに基づいて行う必要があります。あなたの研究に最適なセンサを特定するために、これらの考察をお役立てください。
土壌水分とは何か？測定の背後にある科学
たいていの人は、土壌の水分を1つの変数（含水量）だ けから見ている。しかし、土壌中の水の状態を表すには、2種類の変数が必要である。
ケーススタディ、ウェビナー、記事
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