土壌水分センサー-その仕組み。研究グレードでないものがある理由
TDR、FDR、静電容量、抵抗：一般的な土壌水分センシング方法の比較、その長所と短所、独自のアプリケーション。
土壌水分放出曲線とは何か。なぜ必要なのか。どのように使うか。
土壌水分放出曲線（土壌水分特性曲線または土壌水分保持曲線とも呼ばれる）は、物理的な指紋のようなもので、土壌の種類ごとに固有のものである。研究者は、特定の水分状態における特定の土壌の水の運命を理解し、予測するために、この曲線を使用する。水分放出曲線は、以下のような重要な疑問に答えるものである。どのくらいの期間灌水すべきか？あるいは、水はすぐに土壌から排出されるのか、それとも根域に保持されるのか？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。
土壌水分放出曲線とは何か？
水ポテンシャルと体積含水率の間には関係があり、 グラフを用いて説明することができる。これらのデータを組み合わせると、土壌水分放出曲線 と呼ばれる曲線形状ができる。土壌水分放出曲線の形状は、各土壌に固有である。これは、土壌の質感、嵩密度、有機物の量、間隙 構造の実際の構成など、多くの変数に影響される。
図1は、3つの異なる土壌の曲線例を示している。X軸は対数目盛りの水ポテンシャルで、Y軸は体積含水率である。土壌含水量と水ポテンシャル（または土壌吸引力）のこの関係から、研究者は特定の土壌タイプにおける水の利用可能性と水の動きを理解し、予測することができる。例えば、図1では、土壌の種類によって、永久萎凋点（右の縦線） が異なる含水比になることがわかる。細砂壌土は5％のVWCで永久萎凋を起こすが、シルト壌土はほぼ15％のVWCで永久萎凋を起こす。
拡大変数と集中変数
土壌水分放出曲線を理解するためには、広域特性 と集約特性について説明する必要がある。ほとんどの人は、土壌水分量という1つの変数のみから土壌水分を見ている。しかし、環境中の物質やエネルギーの状態を表すには、2種類の変数が必要である。広範な変数は、物質またはエネルギーの範囲（または量）を表す。そして集約的変数は、物質またはエネルギーの強度（または質）を表す。
| 広範な変数 | インテンシブ・バリアブル |
|---|---|
| ボリューム | 密度 |
| 水分 | 水ポテンシャル |
| 熱量 | 温度 |
土壌水分量は広範な変数である。環境中にどれだけの水分があるかを表す。土壌水分ポテンシャルは集約的な変数である。これは、環境中の水の強度または質（そしてほとんどの場合、利用可能性）を表す。この仕組みを理解するために、熱の観点から広範変数と集約変数を考えてみよう。熱量（広範変数）は、部屋にどれだけの熱が蓄えられているかを表す。温度（集約的変数）は、その部屋の熱の質（快適度）、つまり体がどのように感じるかを表す。
図2は、北極の大型船と、焚き火で熱せられたばかりのホットロッドを示している。どちらが熱量が大きいだろうか？興味深いことに、北極の船は熱棒よりも熱量が大きいが、温度が高いのは熱棒である。
熱棒を船に接触させた場合、どの変数がエネルギーの流れを支配するか？集中変数である温度は、エネルギーがどのように動くかを支配する。熱は常に高温から低温へと移動する。
熱と同様、土壌水分量も単なる量である。水がどのように移動するかや、植物の快適度（植物が利用可能な水）を知ることはできない。しかし、土壌水ポテンシャルは、集中的な変数であり、水の利用可能性と移動を予測する。どのように？
植物の利用可能水分：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し、水分含有量とは異なり、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～-2000 kPa以下の水ポテンシャルでは永久的な枯れを引き起こす。
水の移動： 土壌の水は、常に高い水ポテンシャルから低い 水ポテンシャルへと移動する。例えば、土壌の水ポテンシャルが-50 kPaの場合、水はより負の-100 kPaの土壌層に向かって移動する。
これは、植物と土壌の大気の連続体で起こることとも近似している。図4では、土壌は-0.3MPaで、根はわずかにマイナスの-0.5MPa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。そして水は木部を通って上昇し、この電位差を越えて葉から出ていく。この勾配を生み出しているのは、-100MPaの大気である。つまり、水ポテンシャルが、システムが水をどの方向に移動させるかを決定しているのだ。
放湿曲線のデータはどこから来るのか？
土壌水分放出曲線は、原位置でもラボでも作成できる。現場では、土壌センサーを用いて土壌含水量と土壌水ポテンシャルをモニターする。
METERの簡単で信頼性の高い誘電センサーは、ほぼリアルタイムの土壌水分データをZL6 データロガーから cloud (ZENTRA Cloud).これにより、膨大な労力と費用を節約することができます。TEROS 12は含水量を測定し、TEROS ボアホール設置ツールで簡単に設置できます。TEROS 21は設置が簡単な現場用水位センサーで、TEROS 32は水位も測定する低メンテナンスのテンシオメーターです。
ラボでは、METERの HYPROPと WP4Cを組み合わせて、土壌水分の全範囲にわたる完全な土壌水分放出曲線を自動的に生成することができます。
土壌水分放出曲線の使い方
土壌水分放出曲線は、体積含水率の広域変数と水ポテンシャルの集約変数を結びつけたものである。広域変数と集約変数を一緒にグラフ化することで、研究者や灌漑関係者は、土壌水がどこに移動するかといった重要な疑問に答えることができる。例えば、下の図5で、下の3つの土壌が含水率15％の異なる土壌ホライズン層であった場合、ローム質の細砂の水は、より負の水ポテンシャルを持つため、細砂ローム層に向かって移動し始めるであろう。
土壌水分放出曲線は、いつ水を入れるか、いつ水を止めるかといった灌漑の決定を下すためにも使用できる。そのためには、研究者や灌漑担当者は、体積含水率（VWC）と水ポテンシャルの両方を理解する必要がある。VWCは、生産者がどれくらいの灌漑を行うべきかを示す。そして水ポテンシャルは、その水が作物にどの程度利用可能で、いつ灌漑を止めるべきかを示す。その仕組みを説明しよう。
図6は、ローム状砂、シルトローム、および粘性土の典型的な水分放出曲線を示している。100kPaでは、砂質土壌の含水率は10％以下である。しかし、シルトロームでは約25％、粘性土では40％に近い。圃場容積は通常-10～-30kPaである。そして永久萎凋点は-1500kPa前後である。この永久萎凋点よりも乾燥した土壌では、植物に水を供給することはできない。また、圃場容量より湿った土壌の水は土壌から流出する。研究者／灌漑担当者は、これらの曲線を見て、土壌の種類ごとに最適な含水レベルを知ることができる。
図7は同じ水分放出曲線で、圃場容量範囲（緑の縦線）、灌漑作物に通常設定される下限（黄色）、永久萎凋点（赤）を示している。これらの曲線を用いれば、研究者／灌漑担当者は、シルトロームの水ポテンシャルを-10～-50kPaの間に保つべきであることがわかる。そして、これらの水ポテンシャルに対応する含水量は、シルトロームの含水量を約32％（0.32m3/m3）に保たなければならないことを灌漑担当者に伝える。土壌水分センサーは、この最適限度を上回ったり下回ったりしたときに警告を発することができる。
ZENTRA すべてをシンプルにする
放出曲線から情報が得られると、METERのZL6 データロガーとZENTRA Cloudは、最適な水分レベルを維持するプロセスを簡素化します。ZENTRA cloud で上限と下限を設定することができ、それらはほぼリアルタイムの土壌水分データ（青い網掛け）の上に網掛けされた帯として表示されるため、水のオンとオフを切り替えるタイミングを簡単に知ることができる。制限値に近づいたり超えたりすると、自動的に警告が出される。
ラボカーブ-これまで以上に簡単に
15～20年前、ラボで完全で詳細な土壌水分放出曲線を得るには数ヶ月を要した。なぜか？
水分放出曲線には常に2つの弱点があった。それは、0～-100kPaの間の限られたデータと、-100kPa～-1000kPaの間の、どの機器も正確な測定ができないギャップである。0～-100kPaの間では、土壌は含水量の半分以上を失う。水分放出曲線のこのセクションのデータポイントを作成するために圧力板を使用することは、曲線がわずか5つのデータポイントに基づいていることを意味する。
そしてギャップがある。最も低いテンシオメーターの測定値は-0.085MPaでカットアウトし、一方、歴史的に最も高いWP4水ポテンシャル・メーターの測定範囲は、かろうじて-1MPaに達した。そのため、植物が利用できる範囲のちょうど真ん中でカーブに穴が空いてしまったのだ。
2008年、ドイツのMETER Group AGは、0～-0.1MPaの範囲で100以上のデータポイントを生成できる装置、HYPROP を発表した。これは、曲線のその部分の背後で、20倍以上のデータによって分解能の問題を解決した。
2010年、METER Group は再設計されたWP4C 水位計を発表した。精度とレンジが大幅に向上したことで、WP4C はテンシオメーター・レンジまで正確に読み取れるようになった。使用方法 HYPROP再設計された WP4C熟練した実験者であれば、完全で高解像度の水分放出曲線を作成することができます。実験室での完全な土壌水分放出曲線の作成方法の詳細については、水分放出曲線アプリガイドをご覧ください。
現場での水分放出曲線？はい、可能です。
原位置に 水ポテンシャルセンサーと土壌水分センサーを設置することで、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ます。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ある。
以下のウェビナーでは、METERリサーチサイエンティストのColin Campbell博士が、Pan American Conference of Unsaturated Soilsで行われた最近の論文を要約している。Campbell et al. (2018)による論文「Comparingin situsoil water characteristic curves to those generated in the lab」は、TEROS 21calibrated matric potential sensor and METERwater content 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ます。
待って、まだある
土壌水分放出曲線は、この記事の範囲を超えて、さらに多くの洞察と情報を提供することができる。研究者は、土壌の収縮膨潤容量、陽イオン交換容量、土壌特有 の表面積など、多くの問題を理解するためにこの曲線を使用してい る。以下のビデオでは、土壌水分の専門家であるレオ・リベラ（Leo Rivera）が、水に関する個々の土壌の挙動を分析するために放湿曲線を使用する方法について、より詳細な情報を提供している。
全体像を把握する
土壌水分の測定に必要な情報がすべてここに。
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。
計測インサイト
進化した土壌水分センシング
TEROS センサーはより耐久性があり、正確で、設置がより簡単で速く、一貫性があり、パワフルで直感的なほぼリアルタイムのデータロギングと可視化システムにリンクしている。
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。
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