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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、インターネット検索をすると、ダイヤルによって水分を示すセンサーから、初歩的なマイクロプロセッサを使って電子的に監視するセンサーまで、土壌水分を測定するだけでも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ので、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のではないでしょうか。

METERの科学者たちは20年以上にわたり、土壌水分センサーの設置、フィールド実験によるデータのモニタリング、解釈、そして公開に数千時間を費やしてきました。その過程で、質の高い土壌水分データの取得方法について多くのことを学びました。この記事では、その専門知識を皆様と共有します。以下では、一般的な土壌水分センシング手法の比較、それぞれの科学的測定理論、長所と短所、そして様々なフィールド研究に適用可能な技術についてご紹介します。また、現代の土壌水分センシングがセンサーだけにとどまらない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した時の難しさの一つは、「土壌水分センサー」という用語が十分に具体的ではないことです。土壌水分は、土壌水分（土壌中の水分の量または割合）と水ポテンシャル（土壌吸引とも呼ばれる）の2つの異なる意味を持つ場合があります。一方は広域変数であり、もう一方は集約変数です（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表示されます。

土壌水分とは、土壌中の水分量を重量または体積で表したも のです。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ます。原位置での測定はすべて体積ベースの測定です。

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したグラフです。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ります。水ポテンシャルは、土壌中の水のエネル ギー状態を意味し、一般的には、土壌粒子への水分子の表面付着力に依存します。

図2は、土壌粒子（青）の周囲の水の境界層を示しています。この境界層は、土壌水分が減少するにつれて薄くなります。これに伴い、残留水分子は土壌粒子の表面にさらに強く結合します。この結合により水の位置エネルギーが低下し、植物や運動に利用可能な水が少なくなります。植物の水分利用可能性や土壌水分の移動を測定または予測する場合は、「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」という用語を使用してください。

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TDR、FDR、キャパシタンス、抵抗法の比較

土壌水分量は、衛星ベースの技術を用いて、圃場、集水域、あるいは大陸規模で測定できます。また、宇宙線中性子の降下を利用して、広大な地域にわたって測定することも可能です。

これらの技術はどれも非常に有用ですが、この記事では、区画、処理、または圃場内の単一の場所で測定するin situ技術を比較します。これには4つの基本的な方法が含まれます。

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技術の中で圧倒的に最も一般的なのは抵抗式と誘電式（TDRセンサー、FDRセンサー、静電容量センサー）であり、今回の比較ではこれらに焦点を当てます。これらの方法やその他の方法については、以下のウェビナー「土壌水分201：水分含有量の測定、方法、および応用」でご覧いただけます。

土壌水分測定法を選択する際には、用途を考慮することが重要です。例えば、ユタ州ラッシュバレーの研究現場では、降水量、げっ歯類、計画的な焼却が変化する状況下で、複数の処理における水使用量を比較するという課題がありました。降水量の変化下で、これらの処理が在来種と外来種のバランスに及ぼす影響を示すには、適切な技術を選択することが不可欠でした。

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す。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って土壌水分率を測定します。

水は導電性が非常に低いため、水中のイオンが一方の電極からもう一方の電極へ電流を運びます。理論的には、この考え方は有効です。土壌中の水分量が増えると抵抗が下がるのは理にかなっています。しかし実際には、この方法の前提に関しては問題があります。理由は次のとおりです。

図5は、正極板と負極板に電荷が与えられ、土壌中のイオンが移動する様子を示しています。抵抗法が機能するためには、土壌中のイオン数が比較的一定であるという重要な前提があります。土壌中のイオン数が一定でない場合、あるいは異なる土壌でセンサーを使用した場合、間隙水中のイオン数が変化すると、たとえ水分量が変化していなくても、電流の流れやすさが変化するため、正確な測定は不可能になります。

この考え方は簡単な例で説明できます。センサーを湿潤/乾燥測定以外の用途に使用するには、センサー出力（この場合は抵抗値、またはその逆数である導電率）と体積水分量を関連付ける校正が必要です。

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）の単純なモデルです。センサーの校正が1桁以上変化することを示しています。

抵抗センサーは安価で、水分量の変化に反応し、DIYプロジェクトにも簡単に組み込めますが、実際の用途は家庭菜園や科学フェアのプロジェクトに限られます。いかなる科学的研究においても、抵抗センサーは信頼性の高い体積水分量測定を行うことはできません。

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の左側は、抵抗センサーでイオンに何が起こるかを示した図です。右側は、誘電センサー（TDR、FDR容量）でイオンに何が起こるかを示しています。右側の理想的な誘電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す。水分子の電界内での整列が非常に短時間なため、塩イオンを分極させることなく少量の電荷を蓄えることができます。この理想的な測定は、水の量の変化には敏感ですが、塩の量の変化には敏感ではありません。

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、静電容量) が多孔質土壌マトリックス内の水の効果的な測定方法なのでしょうか?

土壌中の各物質は、それぞれ独自の電荷を蓄える能力を持っており、これを誘電率と呼びます。誘電率スケールは、空気に1という値を任意に割り当て、他の物質をその値に関連付けます。土壌は固体、液体、気体の混合物です。これらはそれぞれ異なる誘電率を持ちますが、一般的に、水に比べて誘電率は低くなります。したがって、土壌の電荷蓄電能力を誘電率センサーで測定した場合、体積変化が大きいのは水と空気だけであり、これを体積水分量と関連付けることができます。

図9は、同じスケールで異なる土壌混合物の体積割合を誘電率と等しくし、純水を右端に置いた状態を示しています（土壌にはミネラルが存在しないため、当然ながらこのような現象は起こりません）。ミネラルは土壌全体の体積の約50%を占めることが多いため、ミネラル土壌の実際の誘電率の範囲は通常2～30ですが、これはあくまでも一般的な目安であり、土壌の状況によって異なる場合があります。

有用な土壌水分含有量センサーの重要な特性の 一つとして明らかなのは、体積水分含有量を正確に測定できるということです。

図10は、土壌の誘電率と体積水分含有量の関係を示すグラフです。抵抗と同様に、誘電率センサーは体積水分含有量を完璧に予測できるわけではありません。しかし、これらのセンサーでは、性能に影響を与える要因の影響ははるかに小さくなります。X軸に誘電率、Y軸に体積水分含有量を取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するかがわかります。影響はありますが、比較的小さいものです。嵩密度だけが校正に影響を与えるわけではなく、土壌の種類、塩分濃度、粘土分率、センサーと土壌の接触なども精度に影響を与える可能性があります。しかし、市販されている高品質センサーの多くは、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できませんが、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。

低周波数では、誘電センサーは水と塩分を分極するため、土壌の塩分濃度に非常に敏感になります。しかし、測定周波数が高くなると（約50MHz以上）、この影響は減少します。そのため、たとえセンサーがkHz領域で動作するとしても（Amazonで5ドルで買える誘電センサーのように）、センサーの精度を低下させる多くの要因を回避できるわけではありません。また、たとえセンサーが高い測定周波数で動作したとしても、必ずしも成功を保証するものではありません。適切な電気システム設計もまた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土壌水分に関連している。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ります。多くの研究により以下のセンサーが正確な測定が可能であることを示しています。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によっては、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。

以下の2つの表は、最も一般的な土壌水分測定方法（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センサー、中性子プローブ）を比較し、それぞれの長所と短所、そしてどのような状況でそれぞれの方法が有用であるかを示しています。METER土壌水分センサーはすべて、高周波静電容量式センシング技術と設置ツールを採用しており、設置が容易で、最高の精度を確保しています。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研究サイトでは、4つの処理を5回繰り返し、各処理で複数の深度にセンサーを設置しました。この研究の目的は、降水量の変化に伴い、げっ歯類と計画的な焼却が在来種および外来種の多様性にどのような影響を与えるかを調べることでした。このプロジェクトで最も困難だったのは、効果的な設置を保証するセンサーの選定と、データを蓄積し、多くのプロジェクト関係者に効率的に提供することでした。

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）が新しいボーリング孔設置ツールで設置されている様子を示す動画 です。

この方法を用いると、土壌の深さ2メートルまで、複数の深さにセンサーを迅速に設置できます。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。レバーの機械的利点と、鋭利で高品質なセンサー針を組み合わせることで、硬い土壌でも毎回ほぼ完璧な設置を実現します。

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す。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ます。

例えば、METER社のZENTRAシステムは、センサー、ロガー、ソフトウェアから構成される包括的なIoTシステムです。導入が簡単で、メンテナンスもほとんど不要。ほぼリアルタイムのデータをすぐに利用できるため、より多くの情報を公開し、作業時間を削減できます。下のビデオでは、ZENTRA Cloudソフトウェアでリモートから問題を確認している様子がご覧いただけます。

以下は研究者の典型的な仕事の流れです。この中で赤は、ZENTRA システムによって削除または簡略化可能な作業を示します。

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

水分含有量センサー（TDRセンサー、FDRセンサー、静電容量センサー、抵抗センサー）は市場に数多く存在しますが、測定ニーズに特化したセンサーを選ぶのは見た目ほど難しくはありません。抵抗ベースの技術は、価格が魅力的で測定プロジェクトへの統合も容易であるにもかかわらず、良好な結果は得られません。土壌の塩分濃度は、塩分濃度、肥料、さらには土壌の種類によって変化するため、センサーの測定値が混乱し、測定に手間取ることがよくあります。誘電体ベースのセンサー（TDR、FDR、静電容量）ははるかに優れた選択肢ですが、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ため、慎重な検討が必要です。土壌の誘電率または電荷蓄積容量を測定するには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、静電容量、FDR、TDRなどの特定の測定技術よりも、適切な設置や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ることが示されています。一般的に、測定周波数が高いほどデータの品質は高くなりますが、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を最適化することで生まれると言えるでしょう。

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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