寄稿者

環境測定キャンペーンに着手する大学院生、経験豊富な研究者、あるいは灌漑管理に関心を持つ栽培者など、土壌水分を測定する必要性に気づいたことがあるでしょう。なぜでしょうか？それは、水の利用可能性が生態系の生産性を左右する主要な要因の一つであり、土壌水分（土壌水分量／土壌水ポテンシャル、または土壌吸引力）はほとんどの植物にとって直接的な水分供給源だからです。では、土壌水分とは何でしょうか？以下では、土壌水分の定義を包括的に解説し、土壌水分に関連する重要な科学用語をいくつか解説します。

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す。測定方法を決める前に知っておくべき基本原則があります。実際に何を調べようとしているのかを見つけるための質問をいくつか紹介します。

• 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があるかによって、土壌水分の意味は大きく異なる可能性があります。

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。

土壌水分量は広範な変数であり、規模や状況によって変化します。単位体積または質量あたりの水分量として定義されます。つまり、土壌にどれだけの水分が存在するかということです。

水ポテンシャルは、物質またはエネルギーの強度または質を表す「強度」変数です。しばしば温度と比較されます。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ます。水ポテンシャルとは、ポテンシャルがゼロの純水を基準とした、水のモル（単位質量、単位体積、単位重量）あたりのポテンシャルエネルギーです。水ポテンシャルは、土壌から少量の水を取り出し、それを純粋な自由水のプールに貯めるために必要な仕事と考えることができます。

インテンシブ変数とエクステンシブ変数の詳細

「研究者対象 水ポテンシャル完全ガイド」をダウンロード

土壌水分量：量にすぎない

この記事では、土壌水分含有量を測定する 2 つの異なる方法、すなわち重量水分含有量と体積水分含有量について簡単に説明します。

重量法水分含有量は、土壌の質量あたりの水の質量（つまり、土壌1グラムあたりの水のグラム数）です。土壌水分含有量を測定する主要な方法であり、質量を測定することで土壌中の水分量を直接測定できます。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ます。

したがって、重量水分含有量は、湿潤土壌質量から乾燥土壌質量を差し引いて乾燥土壌質量で割った値に等しくなります。言い換えれば、水の質量を土壌の質量で割った値です。

体積土壌水分とは、土壌の総体積あたりの水の体積です。

容積基準土壌水分は、容積基準で報告されることを除けば、重量基準土壌水分と同じことを表しています。

例えば、図1は、既知の体積の土壌の成分を示しています。すべての成分の合計は100%です。体積水分率（VWC）は、水の体積を土壌の総体積で割った値に等しいため、この場合、VWCは35%になります。VWCは、cm³/cm³またはインチ/フィートで示されることもあります。

重量測定とVWC：かさ密度による連動

重量土壌水分（w）は、土壌の乾燥嵩比重（⍴）を乗じる ことで、体積土壌水分（ϴ）に変換できます。また、_bを乗じて体積土壌水分に換算することができます（式 3）。

重量法による水分含有量は土壌に含まれる水分量を測定する第一原理（または直接的な方法）であるため、現場または遠隔で検知されるほぼすべてのVWC測定値の較正と検証に使用されます。誘電センサーをお持ちの場合は、電磁場で読み取った値を土壌水分含有量に変換する何らかの関係があります。したがって、体積水分含有量が正しいかどうかわからない場合は、土壌をサンプルとして採取し、重量法による水分含有量を測定し、嵩密度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

ほとんどの体積土壌水分測定は、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でしょうか？

図2は水分子を示しています。上部には酸素原子が1つ存在する負極があり、下部には水素原子が2つ存在する正極があります。土壌に電磁場（図3）を印加すると、この水分子は反応します。電磁場を反転させると、水分子は逆方向に動きます。このように、水分含有量センサーで電磁場を生成することで、水が電磁場に与える影響を測定することができます。土壌中の水分量が多いほど、影響は大きくなります。静電容量技術の詳細については、こちらをご覧ください。

なぜセンサーで土壌水分量を測定するのか？

土壌水分含量センサーを使用することで、時系列データ（図4）の取得が可能になります。これは、土壌で何が起こっているかを理解するための強力なツールです。重量法による水分含量測定では、サンプルまたは一連のサンプルを採取し、研究室に持ち帰る必要があります。時系列データが必要な場合、現場で常にサンプリングを行う必要があるため、これは現実的ではありません。

水分含有量センサーを使用すると、土壌水分含有量の変化のタイミングを自動的に測定し、断面の深度を比較することができます。これらの曲線の形状は、土壌中の水分に何が起こっているかに関する重要な情報を提供します。

表1は、さまざまな土壌センシング法を比較したものです。

重量法による水分含有量測定は、第一原理に基づいた優れた測定方法ですが、時間がかかり、破壊的な手法であるため、測定結果が時間経過とともに変化し、ある時点のスナップショットしか得られません。土壌水分含有量センサーは、時系列データを提供し、経時的なプロファイルセンシングを可能にし、センサーを土壌に挿入しながらも破壊的なサンプリングを回避します。リモートセンシングは、限られたスケールでの時系列データを提供しますが、水分含有量測定に重要な空間サンプリングに非常に効果的です。METER土壌水分センサーは、設置場所への影響を最小限に抑えるよう設計された専用の設置ツールにより、外乱を軽減します（動作原理についてはビデオをご覧ください）。

飽和：それはあなたが考えているようなものではない

体積土壌水分でいえば、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、異なる土壌水分で飽和する。

飽和度という見方もあります。

飽和度 = VWC/ポロシティ * 100

土壌の種類に応じて、その多孔度がわかれば、飽和時の水分含有量を概算できます。しかし、圃場で土壌が飽和状態に達することは稀です。なぜでしょうか？

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（土壌吸引力）は、土壌水分を記述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す（式3）。

マトリックポテンシャルは土壌に関して最も重要な要素です。これは、土壌表面に付着している水に関係しているからです。図6では、マトリックポテンシャルが土壌粒子に付着する水膜を作り出しています。土壌から水が排出されると、空気で満たされた間隙が拡大し、マトリックポテンシャルが低下するにつれて、水は土壌粒子にさらに強く結合します。マトリックポテンシャルの作用については、以下のビデオをご覧ください。

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？

圃場保水力は、「土壌を水で湿らせてから2～3日後、かつ自由排水が無視できる程度になった後に、質量または体積ベースで土壌に残留する水分量」と定義されます。（『土壌科学用語集』米国土壌科学会、1997年）細粒土壌では水ポテンシャル-33kPa、砂質土壌では水ポテンシャル-10kPaにおける水分量とされることが多いですが、これはあくまでも目安です。実際の圃場保水力は土壌断面の特性によって異なります。圃場でモニタリングされた水分量データから決定する必要があります。圃場保水力データを参照する場合は、その値がどのようにして算出されたかを知っておくことが重要です。

一圃場の容量は一般的に水ポテンシャルで表されますが、実際には流動特性であることを認識することが重要です。水は重力ポテンシャル勾配の影響を受けて土壌断面を下方に移動します。水は永遠に下方に移動し続けますが、土壌が乾燥すると透水係数が急速に低下し、最終的には蒸発や蒸散による損失と比較して下方への流れが小さくなります。土壌を水漏れのあるバケツと考えてみてください。植物は、根圏を通って下方に移動する水の一部を掴もうとしているのです。

永久凋落点とは？

スケールの反対側には、永久萎凋点があります。永久萎凋点はヒマワリで実験的に測定され、-15 バール (-1500 kPa、Briggs and Shantz、1912、p. 9) と定義されました。これは、ヒマワリが萎凋し、一晩で回復できなくなる土壌ポテンシャルです。理論的には、水槽が空になり、膨圧が完全に失われ、植物が萎凋した状態です。ただし、-1500 kPa が必ずしもすべての植物の萎凋点であるとは限りません。多くの植物はさまざまな点で「萎凋」します。-1500 kPa よりもずっと早く永久的な損傷から身を守り始める植物もあれば、かなり後になってから始まる植物もあります。そのため、-1500 kPa は土壌の便利な基準点ですが、サボテンはおそらく -1500 kPa を気にせず、ポンデローサ松がその点で活動を停止することは決してないことに注意してください。したがって、異なる植物や作物に対して異なる意味を持つ可能性があります (詳細: M.B. Kirkham. Principles of Soil and Plant Water Relations、2005 年、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有意義な結論を導き出すには、土壌の種類について知っておく必要があります。

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。どの土質も粒度分布が異なる。表2は、-1500kPa（永久萎凋点）において、それぞれの土質のクラスが異なる土壌水分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.土壌土質の違いによる代表的な圃場容量と永久枯凋点

土質	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、砂質埴壌土は圃場容量で 32% VWC を持つことができます (これは十分に水分を含んだ土壌です)。しかし、粘土の場合、32% VWC は永久萎凋点です。つまり、センサーを設置するときは土壌サンプルを採取して、土壌の質と土壌で何が起こっているかを確実に把握する必要があります。これは、土壌タイプに変化がある場合 (土壌プロファイルの変化またはサイト間の空間的変動) に特に重要です。水ポテンシャルは状況によって変化しないことに注意してください。これらすべての土壌タイプでは、粘土であれ砂であれ、-33 kPa は -33 kPa です。シルト質ローム土を中程度の質の土壌として見ると、-33 kPa での水分含有量は 27%、-1500 kPa での水分含有量は 13% です。一般的な嵩密度では、総間隙空間は約 50% です。それが満たされると、土壌は飽和状態になります。したがって、飽和状態から（圃場容量が-33 kPaであると仮定）、圃場容量に達するまで水の半分が排出されます。残った水の約半分は植物が利用できる水です。植物が利用可能な水をすべて吸収した後も、植物が利用できる水とほぼ同量の水が土壌中に残りますが、植物はそれを吸収できません。

 PARIOは、あらゆる土壌の土質と粒度分布を自動的に判定する装置です。

土壌保水曲線

水ポテンシャルと体積土壌水分の間には、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軸は体積土壌水分であ 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、深層排水、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。

 HYPROPは、土壌水分保持曲線を湿潤範囲で自動的に作成する装置です。HYPROPとWP4Cを組み合わせることで、土壌水分の全範囲にわたる保持曲線を作成できます。

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、以下の問いに答えてみてください：

• 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？
• 水がどちら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るか？
• 植物に必要な土中の水分量を知る必要があるか？
• 水やりのタイミングは必要か？

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、土壌土壌水分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です。この仕組みの詳細については、次の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。

学ぶこと： 

• 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。