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環境測定キャンペーンに乗り出す大学院生であれ、経験豊富な研究者であれ、灌漑管理に悩む生産者であれ、おそらくどこかの時点で土壌水分を測定する必要があることに気づいたはずだ。なぜか？なぜなら、水の利用可能性は生態系の生産性を左右する主な要因の1つであり、土壌水分（すなわち、土壌含水量／土壌水ポテンシャル）はほとんどの植物にとって直接的な水源だからである。土壌水分とは何か？以下では、土壌水分の定義と、土壌水分と関連して使用されるいくつかの重要な科学用語について包括的に説明する。

土壌の水分とは何を意味するのか？

土壌水分とは、単に土壌中の水分量を知る以上のものである。測定方法を決める前に知っておくべき基本原則がある。ここでは、実際に何を調べようとしているのかに焦点を絞るのに役立つ質問をいくつか紹介する。

• 土壌に蓄えられている水に興味がありますか？
• 生産量を最大化するために、一次生産に利用可能な水を重視するのか、それとも敷地内の最大生産量を把握するのか。
• 土壌中の水と溶質の移動について研究していますか？
• 農作物の水利用の最適化を目指していますか？
• 土壌の水文学をモデル化していますか？

これらの質問のどれに興味を持つかによって、土壌水分の意味はまったく違ってくる。

測定すべき変数を知る

ほとんどの人は、土壌水分量という1つの変数だけから土壌水分を見ている。しかし、土壌中の水の状態を表すには、水の量である含水量と水のエネルギー状態である水ポテンシャルという2種類の変数が必要である。

土壌含水率は広範囲に及ぶ変数である。大きさや状況によって変化する。総単位体積または質量あたりの水分量として定義される。基本的には、そこにどれだけの水があるかということだ。

水ポテンシャルは、物質やエネルギーの強度や質を表す"集約的 "な変数である。よく温度と比較される。温度が人間の快適度を示すように、水ポテンシャルは植物の快適度を示すことができる。水ポテンシャルとは、ゼロポテンシャルの純水を基準とした、水の1モル（単位質量、体積、重量）あたりの位置エネルギーのことである。水ポテンシャルを、土壌から少量の水を取り除き、純粋な自由水のプールに沈殿させるのに必要な仕事として見ることができる。

インテンシブ変数とエクステンシブ変数の詳細

研究者のための水ポテンシャル完全ガイド」をダウンロードする

土壌水分量：量にすぎない

この記事では、土壌含水量を測定する2つの異なる方法、すなわち重量含水量と容積含水量について簡単に説明する。

重量含水率とは、土壌の質量あたりの水の質量（すなわち、 土壌1gあたりの水のグラム数）である。質量を測定することで土壌水分量を直接測定できるため、土壌水分量を測定するための主要な方法である。圃場から採取した湿った土壌の重量を測定し、オーブンで乾燥させた後、乾燥した土壌の重量を測定することで算出される。

したがって、重量含水率は、湿潤土 質量から乾燥土質量を差し引いた値を乾燥土 質量で割った値に等しい。言い換えれば、水の質量を土壌の質量で割ったものである。

体積含水率とは、土壌の総体積あたりの水の体積である。

容積基準含水率は、容積基準で報告されることを除けば、重量基準含水率と同じことを表している。

例えば、既知の体積の土壌の成分を図1に示す。すべての成分の合計は100%である。体積含水率（VWC）は、水の体積を土壌全体の体積で割った ものであるため、この場合、VWCは35%となる。VWCは、cm3^/cm3またはインチ/フィートと して報告されることもある。

重量測定とVWC：かさ密度による連動

重量含水率（w）は、土壌の乾燥嵩比重（⍴）を乗じる ことで、体積含水率（ϴ）に変換できる。_bを乗じて体積含水率に換算することができる（式 3）。

重量含水率は、土壌中の水分量を測定する第一原理（または直接）の方法であるため、原位置または遠隔のいずれかで感知されるほとんどすべてのVWC測定の検量線を開発し、測定値を検証するために使用される。誘電センサーがあれば、電磁場で読み取った値を土壌水分量に変換する何らかの関係があります。したがって、体積含水率が正しいかどうか確信が持てない場合は、土壌をサンプリングして重量含水率を測定し、嵩比重サンプルを採取して、自分で確認してください。

体積含水率の測定方法

ほとんどの体積含水率測定は、何らかのセンサーを使用して行われる。METER 水分 センサーは 静電容量技術を使用しています。この測定を行うために、これらのセンサーは水の「極性」を利用します。どのように機能するのか？

図2は水分子を示している。上部には酸素原子のマイナス極があり、下部には2つの水素原子のプラス極がある。土の中に電磁場（図3）を導入すると、この水分子は注目する。もし電磁場が逆だったら、逆に踊るだろう。このように、水分センサーで電磁場を作ることで、その電磁場に対する水の影響を測定することができる。土壌中の水分が多ければ、その影響は大きくなる。キャパシタンス技術について詳しくはこちら

なぜセンサーで土壌水分量を測定するのか？

土壌水分センサーを使用することで、土壌で何が起きているのかを理解するための強力なツールである時系列データ（図4）の可能性が広がる。重量含水率の測定には、サンプルまたは一連のサンプルを採取し、ラボに持ち帰る必要がある。時系列が必要な場合、基本的にフィールドで常時サンプリングすることになるため、これは非現実的である。

水分センサーを使えば、土壌水分の変化のタイミングを自動的に測定し、プロファイルの深さを比較することができる。また、これらの曲線の形状から、土壌中の水分に何が起こっているかについての重要な情報を得ることができる。

表1は、さまざまな土壌センシング法を比較したものである。

重量法含水比は、第一原理としては優れた測定法であるが、時間がかかり、破壊的であり、時間的なスナップショットしか得られない。土壌水分センサーは時系列を提供し、経時的なプロファイル・センシングを可能にし、破壊的なサンプリングを避けることができるが、センサーを土壌に挿入することに変わりはない。リモートセンシングは限られたスケールで時系列を提供しますが、水分量の測定に重要な空間サンプリングには非常に強力です。METER土壌水分センサーは、 の特殊な設置ツールで撹乱を減らし、現場の撹乱を最小限に抑えるように設計されています（ビデオでその仕組みをご覧ください）。

飽和：それはあなたが考えているようなものではない

体積含水率でいえば、オーブンドライの土壌は、定義上、VWC0％である。これは1つの定義された終点である。純水は100％である。多くの人は、100％VWCが完全に飽和した土壌であ ると考えているが、そうではない。各土壌タイプは、異なる含水率で飽和する。

飽和度という見方もある：

飽和度 = VWC/ポロシティ * 100

任意の土壌タイプの空隙率を知っていれば、飽和時の含水量を概算することが可能である。しかし、土壌が現場で飽和に達することはめったにない。なぜか？

図6を見ると、土壌が水を吸着する際に、土壌粒子にまとわりつく水膜が形成されるのがわかる。また、間隙には空気がたまっている。圃場条件下では、こうした空隙をなくすことは難しい。このような空気の封じ込めがあるた め、どのような土質であっても、飽和パーセントが理論 的な飽和の最大値と等しくなることはめったにない。

水ポテンシャルとは何か？

水ポテンシャルは、土壌水分を説明するために使用されるもう1つの変数である。前述したように、これは土壌のエネルギー状態、または電位ゼロの純水を基準とした水1モルあたりの位置エネルギーとして定義される。これは何を意味するのだろうか。この原理を理解するために、 土壌サンプルに含まれる水を、飲料用コップに含まれる 水と比較してみよう。コップの中の水は比較的自由で利用可能であるが、土の中の水は表面に結合しており、溶質によって希釈される可能性があり、さらに圧力下でも希釈される可能性がある。その結果、土壌の水は「自由な」水とは異なるエネルギー状態を持っている。自由水は、エネルギーを行使することなくアクセスすることができる。土壌水は、保持されているエネルギーと同等かそれ以上のエネルギーを消費することによってのみ抽出することができる。水ポテンシャルは、土壌試料から水を引き抜くためにどれだけのエネルギーを消費する必要があるかを表している。

水ポテンシャルは、重力ポテンシャル＋マトリックポテンシャル＋圧力ポテンシャル＋浸透ポテンシャルという4つの異なる要素の合計である（式3）。

マトリックポテンシャルは、土壌表面に付着している水に関係するため、土壌に関する限り最も重要な成分である。図6では、マトリックポテンシャルが土壌粒子に付着した水膜を形成している。土壌から水が排出されるにつれて、空気で満たされた間隙は大きくなり、マトリックポテンシャルが低下するにつれて、水は土壌粒子により強固に結合するようになる。下のビデオで、マトリックポテンシャルの動きをご覧ください。

水ポテンシャル勾配は、土壌中の水の流れの原動力である。 そして、土壌の水ポテンシャルは、植物が利用可能な水を示す最良の指標である（その理由はこちら）。含水量と同様に、水ポテンシャルもラボと圃場の両方でセンサを用いて測定することができる。以下に、様々なタイプの圃場用水ポテンシャル・センサの例をいくつか挙げる。

水ポテンシャルは水の動きを予測する

水は、図7に示されるように、その位置が平衡に達するま で、エネルギーの高い位置から低い位置へと移動する。例えば、土壌の水ポテンシャルが-50 kPaであった場合、水はより安定するために、より負の-100 kPaに向かって移動する。

これは、植物の土壌大気の連続体で起こることとも近似している。図8では、土壌は-0.3 MPaで、根は-0.5 MPaとわずかに負圧になっている。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。そして、-100MPaにある大気が、この勾配を動かしているのだ。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。

植物が利用できる水とは？

植物が利用可能な水分とは、土壌または培地の圃場容積と永久萎凋点との間の含水量の差である（以下の定義を参照）。ほとんどの作物は、土壌が永久萎凋点近くまで乾燥すると、収 量が大幅に減少する。作物の収量を最大化するためには、土壌含水量を永久萎凋点よ りもかなり高く維持するのが一般的であるが、植物利用可能水分は、 土壌中の貯水層の大きさを示すものであるため、依然として有用な概念 である。土壌の種類に関する基本的な知識があれば、圃場容積と永久萎凋点は、原位置 土壌水分センサーによる測定値から推定することができる。これらのセンサーは連続的な土壌水分量データを提供し、作物の収量と水利用効率を高めるための灌漑管理決定を導くことができる。

フィールド・キャパシティとは何か？

圃場容水量とは、「水で濡らしてから2～3日後、自由排水が無視できる程度になった後に、土壌中に残っている質量または体積基準の水の含有量」と定義されている。土壌科学用語集。Soil Science Society of America, 1997.これは，細粒土壌では-33 kPa，砂質土壌では-10 kPaの水ポテンシャルにおける含水量と仮定されることが多いが，これは粗い出発点に過ぎない。実際の圃場容積は，土壌プロフィールの特性に依存する。 実際の圃場容積は、圃場でモニ ターされた含水量データから決定されなければな らない。圃場容積のデータを見ているのであれば、そのポイントがどのように決定されたかを知っておくとよい。

一般に、圃場容積は水ポテンシャルの観点から規定 されることが多いが、実際には流動特性であることを理解す ることが重要である。 水は、重力ポテンシャル勾配の影響を受けながら、 土壌地層を下降していく。水は永久に下降し続けるが、土壌が乾くにつれて透水係数は急速に低下し、最終的に下降流は蒸発や蒸散の損失に比べて小さくなる。 土壌を水漏れしたバケツのように考えてみよう。植物は、水が根域を伝って下へ下へと移動するときに、水の一部をつかもうとしているのである。

永久凋落点とは？

その対極にあるのが永久萎凋点である。永久萎凋点はヒマワリで実験的に決定され、-15バール（-1500kPa、Briggs and Shantz, 1912, p.9）と定義された。これは、ヒマワリがしおれ、一晩たっても回復しない土壌電位である。理論的には空のタンクであり、完全にツボ圧が失われ、植物がしおれた状態である。しかし、-1500kPaがすべての植物の萎凋点とは限らない。ある植物は-1500kPaよりずっと早く、またある植物は-1500kPaよりかなり後に、永久的なダメージから身を守り始める。ある植物は-1500kPaよりずっと早く、ある植物は-1500kPaよりずっと後に、自らを永久的なダメージから守り始めます。ですから、-1500kPaは土壌中の有用な基準点ですが、サボテンはおそらく-1500kPaを気にしないでしょうし、ポンデローサ松は間違いなくその時点ではシャットダウンしませんので注意してください。つまり、植物や作物によって意味が異なるということだ（続きを読む：M.B.カーカムPrinciples of Soil and Plant Water Relations, 2005, Elsevier）。

METERを使えば、土壌の永久萎凋点を素早く簡単に測定することができます。 WP4C.

土壌タイプ：あなたが見るレンズ

水分含有量について意味のある結論を出すには、土壌のタイプについて知っておく必要がある。

図9は、砂から粘土まで、最も一般的なテクスチャ・クラスのチャートである。どのテクスチャーも粒度分布が異なる。表2は、-1500kPa（永久萎凋点）において、それぞれのテクスチャーのクラスが異なる含水率を持つことを示している。そして、それは圃場容積についても同じである。

表 2.土壌テクスチャーの違いによる代表的な圃場容量と永久枯凋点

テクスチャー	FC (v%)	PWP (v%)
砂	5	1
ロームサンド	10	2
砂質ローム	17	6
砂質粘土ローム	32	19
ローム	27	14
サンディ・クレイ	38	28
シルトローム	27	13
シルト	24	10
粘土ローム	36	23
シルトリー・クレイ・ローム	36	22
シルト質粘土	40	28
クレイ	42	32

興味深いことに、砂質埴 壌土の場合、圃場容積で32％のVWCを示すことがある（これは十分に水 分のある土壌である）が、埴壌土の場合、32％のVWCは恒久的な萎凋点である。つまり、センサーを設置する際には土壌サンプルを採取し、土壌の質感と土壌で起こっていることを確実に把握する必要がある。これは、土壌のタイプに変化がある場合に特に重要であ る。すなわち、土壌プロファイルの変化や、場所ごとの空間的な 変動である。なお、水ポテンシャルは状況によって変化するものでは ない。これらすべての土質について、-33 kPaは、粘土であろうと砂であろうと-33 kPaである。 中質土の一種であるシルトローム土の-33 kPa含水比は27％であり、-1500 kPa含水比は13％である。一般的な嵩比重の場合、間隙率は約50％である。これが満たされると、土は飽和状態になる。したがって、飽和状態からスタートすると、（圃場容積を-33kPaと仮定すると）圃場容積に達するまでに半分の水が排出されることになる。残された水の約半分は、植物が利用できる水である。植物ができる限りの水を取り出した後、植物が利用できる水とほぼ同量の水がまだ土壌に残っているが、植物が除去することはできない。

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土壌保水曲線

水ポテンシャルと体積含水率の間には、土壌保水曲線（放 水曲線または土壌水分特性曲線と呼ばれることもある） を用いて説明できる関係がある。図10に、3つの異なる土壌の曲線例を示す。X軸は対数目盛の水ポテンシャルで、Y軸は体積含水率であ る。土壌保水曲線は物理的な指紋のようなもので、各土壌に固有のものである。これは、水ポテンシャルと土壌含水比の関係が土壌ごとに異なるためである。この関係を利用すれば、異なる土壌が曲線上のどこでどのような挙動を示すかを知ることができる。例えば、水は土壌から速やかに排水されるのか、それとも根域に保持されるのか、といった重要な疑問に答えることができる。土壌保水曲線は、植物の水分吸収、深い排水、流出などを予測するための強力なツールである。土壌保水曲線がどのように機能するかについては、こちらをご覧ください。

は HYPROPは、湿潤域の土壌保水曲線を自動的に作成する装置である。HYPROP 、土壌水分の全範囲にわたって保水曲線を作成することができます。 WP4C.

土壌水分：必要なのは水分量か水ポテンシャルか？

土壌水分測定キャンペーンに着手する前に、以下の質問を自問してください：

• 土の中にどれだけの水が蓄えられているかを知る必要があるか？
• 水がどっちに流れるか知る必要があるのか？
• 植物に水が与えられるかどうかを知る必要がありますか？
• 植物に必要な土中の水分量を知る必要がありますか？
• 水やりのタイミングは必要ですか？

土壌にどれだけの水が蓄えられているかを知るだけでよいのであれば、土壌含水率に注目すべきである。水がどこへ移動するのかを知りたければ、水ポテンシャルを測定するのが適切である。植物が水を得ることができるかどうかを理解するには、水ポテンシャルを測定する必要があります。詳しくは記事をご覧ください：「土壌水分がすべてを教えてくれない理由」を参照。しかし、水やりのタイミングや、植物のために土壌にどれだけの水が蓄えられているかを知りたい場合は、水分量と水ポテンシャルの両方が必要でしょう。土の中に物理的にどれだけの水があるのかを知る必要があり、どの時点で植物が水を得ることができなくなるのかを知る必要があるからだ。この仕組みの詳細については、記事をご覧ください：「水やりのタイミング：二重測定が謎を解く」。

アプリケーションに最適な含水量センサーは？

この20分間のウェビナーでは、コリン・キャンベル博士が土壌 の水分量測定方法の違いを解明します。科学的な測定理論と各測定方法の長所と短所を探ります。また、どの技術がさまざまなタイプのフィールド調査に適用できるのか、そして最新の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説明します。

学べ： 

• 重量法、静電容量法、時間領域反射率法（TDR）、時間領域透過率法（TDT）、周波数領域反射率法（FDR）、抵抗センサーなどの測定理論
• 現場の状況に応じて、どの技術を適用するか
• センサーの種類を選ぶ際に重要な要素
• なぜいくつかの方法は研究向きではないのか
• 現代のセンシングはセンサーだけではない
• 独自の用途に適した価格性能比の決定方法

リソース土壌水分とは何か？

カーカム，メアリー・ベス土壌と植物の水関係の原理。Academic Press, 2014.(書籍リンク)

Taylor, Sterling A., and Gaylen L. Ashcroft.物理的土壌学。灌漑土壌と非灌漑土壌の物理学。1972.(図書リンク)

ヒレル ダニエル土壌物理学の基礎.Academic press, 2013.(書籍リンク)

Dane, Jacob H., G. C. Topp, and Gaylon S. Campbell.土壌分析物理的方法。No. 631.41 S63/4.2002.(図書リンク)

土壌水分データの見方

土壌水分について深く学びましょう。以下のウェビナーでは、コリン・キャンベル博士が、驚くべき土壌水分データや問題のある土壌水分データの解釈方法について論じています。また、土壌、土地、環境の様々な状況において何が予想されるかを教えてくれます。