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。
土壌水分放出曲線は強力なツールである。 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（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、土壌の種類ごとに固有の物理的な指紋のようなものです。研究者は、特定の水分条件における特定の土壌中の水がどうなるかを理解し、予測するために、この曲線を活用します。水分放出曲線は、土壌の水分含有量がどの程度になると永久萎凋状態になるのか、どのくらいの期間灌漑を行うべきなのか、あるいは水は土壌を素早く通過するのか、それとも根圏に留まるのかといった重要な疑問に答えてくれます。これらの曲線は、植物の水分吸収、深層排水、流出などを予測するための強力なツールです。
土壌水分放出曲線とは何か？
水ポテンシャル（土壌吸引力）と体積土壌水分の間には、グラフで示すことができる関係があります。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ます。土壌水分放出曲線の形状は、各土壌に固有です。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、多くの変数の影響を受けます。
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軸は体積土壌水分である。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 |
土壌水分量は示量変数です。環境中に存在する水の量を表します。土壌水ポテンシャルは示量変数です。環境中に存在する水の強度または質（そして多くの場合、利用可能性）を表します。この仕組みを理解するには、熱における示量変数と示量変数を例に考えてみましょう。熱量（示量変数）は、部屋に蓄えられる熱の量を表します。温度（示量変数）は、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します。
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。
ホットロッドを船に接触させた場合、エネルギーの流れを左右する変数は何でしょうか？ 強度変数である温度がエネルギーの移動を左右します。熱は常に高温から低温へと移動します。
熱と同様に、土壌水分量は単なる量です。水がどのように移動するか、あるいは植物が快適に利用できる水量（植物が利用できる水量）はわかりません。しかし、強度変数である土壌水ポテンシャルは、水の利用可能性と移動を予測します。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？
油水分放出曲線は、現場または実験室で作成できます。現場では、土壌水分量と土壌水ポテンシャルは土壌センサーを用いてモニタリングされます。
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、外延的変数である体積水分含量と、強度変数である水ポテンシャルを結び付けます。外延的変数と強度変数をグラフ化することで、研究者や灌漑担当者は、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ます。例えば、下の図15では、3つの土壌がそれぞれ異なる土壌層で水分含量15%の場合、ローム質細砂層の水分は、より負の水ポテンシャルを持つ細砂質ローム層に向かって移動し始めます。
土壌水分放出曲線は、灌漑のタイミング、例えばいつ水を出し、いつ止めるかといった判断にも活用できます。そのためには、研究者や灌漑担当者は、体積水分含有量（VWC）と水ポテンシャルの両方を理解する必要があります。VWCは、栽培者に灌漑に必要な水量を示します。一方、水ポテンシャルは、その水が作物にどれだけ利用可能か、そしていつ灌漑を止めるべきかを示します。その仕組みは以下のとおりです。
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、砂質土壌の土壌水分は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年前は、実験室で土壌水分放出曲線を完全かつ詳細に測定するには数か月かかりましたが、それ以来、私たちは大きく進歩しました。なぜでしょうか？
水分放出曲線には常に2つの弱点がありました。0～-100 kPaの範囲ではデータが限られており、-100 kPa～-1000 kPaの範囲では、どの計測器も正確な測定が不可能です。0～-100 kPaの範囲では、土壌は水分含有量の半分以上を失います。圧力プレートを用いてこの範囲のデータポイントを作成すると、水分放出曲線はわずか5つのデータポイントに基づいて作成されます。
そして、ギャップがあります。テンシオメーターの最低測定値は-0.085 MPaで止まりましたが、WP4水ポテンシャルメーターの最高測定値は歴史的に-1 MPaにやっと達する程度でした。そのため、植物が利用可能な範囲のちょうど真ん中に曲線に穴が開いてしまいました。
2008年、ドイツのMETER Group AGは、0～-0.1 MPaの範囲で100以上のデータポイントを生成できるHYPROPを発売しました。これにより、曲線の該当セクションの背後にあるデータの20倍以上の解像度の問題が解決されました。
2010年、METERグループは再設計されたWP4C水ポテンシャルメーターをリリースしました。精度と測定範囲の大幅な向上により、WP4Cはテンシオメーターの測定範囲に至るまで良好な測定値を得られるようになりました。HYPROPと再設計されたWP4Cを併用することで、熟練した実験者は完全かつ高解像度の水分放出曲線を作成できます。実験室で完全な土壌水分放出曲線を作成する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と言えます。
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。
お待ちください、まだあります
土壌水分放出曲線は、この記事の範囲を超えたさらに多くの洞察と情報を提供します。研究者は、土壌の収縮膨張容量、陽イオン交換容量、土壌比表面積など、多くの問題を理解するためにこの曲線を利用しています。以下のビデオでは、土壌水分の専門家であるレオ・リベラ氏が、水分放出曲線を用いて個々の土壌の水分挙動を分析する方法について、より詳細な情報を提供しています。
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？
当社の科学者には、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ります。
測定に関する洞察
進化した土壌水分センシング
TEROS センサーは、耐久性、精度、設置の容易さ、迅速さ、一貫性に優れ、強力で直感的なほぼリアルタイムのデータ ロギングおよび視覚化システムにリンクされています。
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 けから見ています。しかし、土壌中の水の状態を表すには、2種類の変数がなければなりません。
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