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土壌水分センサーの方法がすべて同じとは限らない

TDR、FDR、キャパシタンス、抵抗：今日、インターネットを検索すると、ダイヤルによって水分を示すセンサーから、単純なマイクロプロセッサを使用して電子的に監視するセンサーまで、土壌水分を測定するための何千ものオプションが見つかります。市場に出回っているセンサーの数が多すぎるため、どのセンサーが最も信頼性が高く、堅牢で、正確で、公表可能なデータを提供してくれるかを調べようとすると、混乱してイライラしてしまう。

20年以上にわたり、METERの科学者たちは土壌水分センサーの設置に数千時間を費やし、フィールド実験のデータをモニタリング、解釈、発表してきました。その間に、質の高い土壌水分データを取得する方法について多くのことを学んできました。この記事では、その専門知識を皆さんと共有します。以下では、一般的な土壌センシング方法の比較、各方法の科学的測定理論、長所と短所、そしてどの技術がさまざまなタイプのフィールド研究に適用できるかを紹介する。また、最新の土壌水分センシングがセンサー以上のものである理由についてもご紹介します。

何を測定しようとしているのか？

インターネットで土壌センサーを検索する際に難しいのは、「土壌水分センサー」という言葉が具体的でないことだ。土壌中の水分とは、含水量（土壌中の水の量または割合）または水ポテンシャル（土壌中の水のエネルギー状態）の2つの異なるものを指す可能性がある。一方は広域変数であり、もう一方は集約変数である（これらの変数についてはこちら）。土壌水分センサー」という用語で検索すると、両方のタイプのセンサーがヒットする。

含水率とは、土壌中の水分量を重量または体積で表したも のである。以下の図1の左側は、体積による土壌含水量（体積含水量または VWC）の算出方法を示している。原位置での測定はすべて体積ベースの測定である。

図1の右側は、土壌中の土壌ミネラル、水、および空気の量（パーセンテージ）に関して、VWCがどのように見えるかを示すグラフである。土壌水分の割合の測定に興味がある場合は、「土壌水分量センサー」や「体積水分量センサー」など、より具体的な検索語を使用してください。

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含水量は水ポテンシャルと混同されることがある。

水ポテンシャルは含水量とは異なる。これは、土壌中の水のエネル ギー状態を意味する。一般に、これは土壌粒子への水分子の表面付着力に依存する。

図2は、土壌粒子の周囲にある水の境界層（青色）を示している。この境界層は、土壌水が減少するにつれて薄くなる。そうなると、残りの水分子は土壌粒子の表面により強く結合する。この結合により、水の位置エネル ギーが減少し、植物や移動に利用しにくくなる。植物の水の利用可能性や土壌水の移動を測定または予測したい場合は、「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」という用語を使用する。

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TDR、FDR、キャパシタンス、抵抗法の比較

土壌の水分量は、衛星を利用した技術により、圃場、集水域、または大陸規模で測定することができる。また、ダウンウェリング宇宙中性子を用いて広域で測定することもできる。

これらの技法はどれも非常に有用だが、この記事では、プロット、処理、またはフィールドの1箇所で測定するin situ技法を比較する。これらには4つの基本的手法が含まれる：

1. 抵抗
2. 誘電率（TDR、FDR、キャパシタンス）
3. 熱伝導率
4. 熱中性子

これらのセンシング手法のうち、最も一般的なものは抵抗と誘電体（TDRセンサー、FDRセンサー、キャパシタンス・センサ）であり、この比較ではこれらに焦点を当てる。しかし、これらの手法やその他の手法に関する情報は、以下のウェビナーでご覧いただけます：土壌水分201-含水量測定、方法、および応用。

土壌水分センシング法を選択する際には、用途を考慮することが重要である。例えば、ユタ州ラッシュバレーのある研究現場では、降水量、げっ歯類、規定焼畑が変化する処理間の水使用量を比較することが課題でした。適切な技術を選択することは、降水レジームが変化した場合の在来種と外来種のバランスに対するこれらの処理の効果を示す上で非常に重要であった。

抵抗式土壌水分センサーが研究用ではない理由

図4は、グーグル検索で見つけた2つの土壌水分センサーの例である。これらのセンサーはいずれも、2つの電極間に電圧差を生じさせ、その間に少量の電流を流し、抵抗値または電気伝導度の値を出力することにより、土壌水分率を測定する。

水は非常に伝導性が悪いので、一方の電極から他方の電極へ電流を運ぶのは水中のイオンである。理論的には、このアイデアは良いものである。土壌中の水分量が増えれば抵抗が下がるのは理にかなっている。しかし実際には、この方法の背後にある仮定には課題がある。その理由は以下の通りである：

図5は、プラスとマイナスのプレートが帯電し、イオンが土の中を移動するときに何が起こるかを示している。抵抗法が機能するためには、土壌中のイオンの数が比較的一定であることが重要な仮定となる。土壌中のイオンの数が一定でない場合、または別の土壌でセンサーを使用する場合、間隙水中のイオンの数が変化すると、水の量が変化していなくても、電流が流れる能力が変化するため、正確な測定が不可能になる。

この考え方は、簡単な例を使って説明することができる。センサーをウェット／ドライ以上の測定に使用するためには、センサー出力（この場合、抵抗値またはその単純な逆数である電気伝導率）を体積含水率に関連付ける校正が必要である。

図6は、飽和抽出電気伝導度（飽和土壌から引き抜かれた後の水の電気伝導度）の単純なモデルである。センサーの校正が1桁以上変化することを示している。

そのため、抵抗センサーは安価で、含水量の変化に反応し、DIYプロジェクトに組み込むのは簡単だが、実際の用途は家庭菜園や科学博覧会のプロジェクトに限られる。どのような科学的な追求においても、抵抗式センサーでは信頼できる体積含水率の測定はできない。

誘電センサー（TDR、FDR、キャパシタンス）：より効果的なアプローチ

誘電センサー（TDR、FDR、キャパシタンタイプ）は、土壌の電荷蓄積能力を測定するセンサーの一般的なカテゴリーです。この電荷蓄積アプローチは、抵抗アプローチよりもはるかに効果的です。

図7の左は、抵抗センサーでイオンがどうなるかを示した図である。右側は、誘電体センサー（TDR、FDRキャパシタンス）でイオンがどうなるかである。右側の理想的な誘電体センサーの電気回路は、2つの電極間で水分子を分極させるだけのものである。水分子はその場の中でごく短時間に整列するので、塩イオンの分極を引き起こすことなく、少量の電荷を蓄える。この理想的な測定は、水の量の変化には敏感だが、塩の量の変化には敏感ではない。

図7のイオンの図面の上には、抵抗器（左）とコンデンサ（右）の電気回路図があります。誘電体測定の中には、中央の回路図のような動作をするものがあり、測定に抵抗が組み込まれているため、塩濃度の変化にやや敏感です。

TDRセンサー、FDRセンサー、静電容量センサー：なぜ機能するのか

では、なぜ誘電率（TDR、FDR、キャパシタンス）が多孔質土壌マトリックス中の水の測定に有効なのだろうか？

土壌中の各物質は、誘電率と呼ばれる電荷を蓄えるユニークな能力を持っている。誘電率の尺度は、任意に空気に1の値を割り当て、他の物質をその値に関連付ける。土壌は固体、液体、気体の混合物である。これらはそれぞれ誘電率が異なるが、一般的に水に比べて誘電率が低い。したがって、土壌の電荷蓄積容量を誘電センサーで測定する場合、体積で大きく変化するのは水と空気だけなので、体積含水率に関連付けることができる。

図9は、同じスケールで、さまざまな土壌の混合物の体積パーセンテージを、純水が右側にある場合の誘電値と等しくなるように示したものである（明らかに、土壌では鉱物が存在しないため、このようなことは起こらない）。鉱物は土壌全体の体積の約50％を占めることが多いため、鉱物性土壌の実際の誘電率の範囲は通常2～30の間であるが、これは一般的なルールに過ぎず、特定の土壌の状況では変化する可能性がある。

明らかに、有用な土壌水分センサーの重要な特性の1つは、体積含水率の正確な測定である。

図10は、土壌の誘電率と体積含水率の関係を示したグラフである。抵抗と同様、誘電センサーも体積含水率を完璧に予測できるわけではない。しかし、これらのセンサーの場合、性能に影響する事柄の影響ははるかに小さい。X軸に誘電率、Y軸に体積含水率をとったこのグラフでは、土壌の嵩密度の違いが校正にどのように影響しているかに注目してください。影響はありますが、比較的軽微です。嵩比重だけが校正を変えるわけではなく、土壌の種類、塩分、粘土の割合、センサーと土壌の接触なども精度に影響します。しかし、利用可能な高品質のセンサーの多くは、これらの課題のほとんどを軽減する技術を開発しています。これらの問題を完全に回避することは不可能ですが、最小限に抑えることは可能です。

誘電センサーの性能はすべて同じではない

誘電体測定技術（TDRセンサー、FDRセンサー、キャパシタンスセンサー）は、すべてが同じように作られているわけではありません。実際、測定周波数や回路設計によっては、抵抗センサーのような働きをするものもあります。溶存イオンの分極を避けながら水分子の分極に成功するかどうかは、この分極の速さ、つまり測定周波数に依存します。

低い周波数では、誘電センサーは水と塩分を分極させ、土壌中の塩分濃度に非常に敏感に反応する。しかし、測定周波数が高くなるにつれて（約50Mhz以上）、この影響は減少する。そのため、もしセンサーがkHz帯で動作したとしても（アマゾンの5ドルの誘電センサーなど）、そのセンサーがセンサーの精度を低下させる多くの要因を避けられるとは限らない。また、センサーが高い測定周波数で動作したとしても、それでも成功を保証するものではありません。適切な電気系統の設計も重要な役割を果たします。

誘電体センサーにはいくつかの種類があり、冒頭のウェビナー（上）ではそれぞれの技術について詳しく説明しています。市場で最も一般的な研究グレードの水分センサーは、3つの一般的なカテゴリーに分類されます。

• 静電容量- 静電容量センサーは、土壌をコンデンサ素子として使用し、土壌の電荷蓄積容量を利用して含水量を校正する。
• 時間領域反射率法(TDR) TDRセンサーは、送電線に沿って電気エネルギーの反射波の移動時間を測定する。この移動時間は、土壌の電荷蓄積容量と体積含水率に関連している。興味深いことに、TDRの信号には（単一の周波数だけでなく）さまざまな周波数が含まれており、土壌の塩分濃度による誤差を減らすのに役立つ。
• 周波数領域センサー（FDR）もまた、土壌をコンデンサーとして使用し、電気回路の最大共振周波数を測定し、共振周波数を含水量に関連付ける。

これらすべてのカテゴリーには、性能が良いセンサーとそうでないセンサーがある。多くの研究が、以下のセンサーがコンテンツをよく測定することを示している：METER社（旧Decagon Devices社）。 EC-5, 10HS5TE/TM（現在はTEROS 10/11/12）、Campbell ScientificのCS655、TDR 200、SoilVue 10、Delta TのTheta ProbeとSMシリーズ、StevensのHydra Probe、AcclimaのTrueTDRシリーズ。これらのセンサーはすべて、土壌の種類や電気伝導度によって、ユーザーによる校正が必要になる場合があります。

Vazら（2013）は、これらのセンサーのいくつかを比較した慎重な研究を提供しており（こちらをお読みください）、より詳細なレビューに役立ちます。これらのタイプの研究は素晴らしい出発点ですが、独自の用途に適した土壌水分センサーを選択する際には、さらに考慮すべき要素があります。以下のセクションでこれらの要因を探ります。

次の2つのチャートは、最も一般的な土壌水分センシング方法（TDRセンサー、FDRセンサー、静電容量センサー、抵抗センサー、COSMOS、中性子プローブ）、それぞれの長所と短所、そしてそれぞれの方法がどのような状況で役に立つかを比較しています。すべてのMETER土壌水分センサーは、高周波静電容量センシング技術と取り付け工具を使用しており、取り付けが簡単で、可能な限り高い精度を保証します。各測定方法の詳細については、土壌水分201：測定、方法、およびアプリケーションをご覧ください。

土壌水分センサーの種類

センサーの利点の比較

精度はセンサーだけではない

前述のラッシュ・バレーの調査地では、4つの処理を5回繰り返し、それぞれの処理で複数の深さにセンサーを設置した。研究の目的は、降水量の変化に伴い、ネズミと規定燃焼が在来種と外来種の多様性にどのような影響を与えるかを確認することだった。このプロジェクトで最も困難だったのは、効果的な設置を確実にするセンサーの選択と、データを蓄積して多くのプロジェクト関係者に効率的に提供する方法の2つだった。

2019年、METERはシンプルな設置に焦点を当て、精度を向上させるための3つの最も一般的な障壁である、設置の不一致、センサー間のばらつき、センサーの検証を排除したフル機能の土壌水分センシングシステムをリリースしました。以下は、TEROS 12土壌水分センサー（静電容量技術を使用した高周波誘電センサー）を新しいボーリング孔設置ツールで設置している様子を映したビデオです。

この方法を使えば、センサーは土壌の2メートル下のいくつかの深さに素早く設置される。このツールは、センサーを土壌に対して正確に垂直に挿入します。レバーの機械的な利点と、研ぎ澄まされた高品質のセンサー針により、硬い土壌でも毎回完璧に近い設置が可能です。

IoTシステムは現代のセンシングを向上させる

設置だけでなく、信頼性の高いデータ収集と可視化も不可欠な検討事項である。IoT技術(ZENTRA Cloud)の導入は、現代のセンシングをより効率的かつ効果的にする機会を提供している。

例えば、METERのZENTRA システムは、センサー、ロガー、ソフトウェアからなる完全なIoTシステムで、簡単に導入でき、メンテナンスもほとんど必要なく、ほぼリアルタイムのデータを手元に置くことができるため、より多くの情報を公開し、作業を軽減することができる。以下のビデオは、ZENTRA Cloud ソフトウェアで遠隔から問題をチェックしている人を示しています。

以下は典型的な研究者のワークフローである。赤は、ZENTRA システムによって不要な作業がなくなった、または簡略化されたことを示す。

ZENTRA 無駄なコストや労力を削減することで、より多くの時間を研究に費やすことができます。下の表のリンクをクリックすると、システムの各部分がどのように連携して研究プロセスを簡素化するかをご覧いただけます。

ZENTRA Cloud デモのリクエスト

正しいセンサーの選択は意外と簡単

驚異的な数の水分センサー（TDRセンサー、FDRセンサー、キャパシタンスセンサー、抵抗センサー）が存在する一方で、測定ニーズに特化したものを選ぶことは、見かけよりも簡単かもしれません。抵抗ベースの技術に頼ることは、魅力的な価格と測定プロジェクトへの簡単な統合にもかかわらず、良い結果をもたらさない。塩分濃度、肥料、さらには土壌の種類によって土壌中の塩分濃度が変化すると、センサーの測定値に戸惑いが生じたり、測定者がフラストレーションを感じたりすることがよくあります。誘電体ベースのセンサー（TDR、FDR、キャパシタンス）ははるかに良い選択ですが、すべての誘電体センサーが同じように作られているわけではないので、慎重な検討が必要です。土壌の誘電容量または電荷蓄積容量を測定するためのいくつかの異なるアプローチがありますが、研究によると、性能は、キャパシタンス、FDR、TDRなどの特定の測定技術よりも、むしろ良好な設置と測定周波数や回路設計などの個々のセンサーの品質に密接に関係しています。一般的に、測定周波数が高いほど高品質なデータが得られますが、センサーのコストも高くなります。センサーの真の価値は、性能と価格のバランスの最適化から生まれると言えるかもしれない。

リソース

• 8つの電磁式土壌水分センサーの標準校正関数の評価（記事リンク）
• 多孔質媒体中の水分および塩分測定のための複合誘電センサー（記事リンク）

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