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どの土壌水分センサーを選ぶべきか？

Deciding how to measure soil moisture can be complicated, but METER’s easy, plug and play soil sensors simplify the process. When choosing a METER soil moisture sensor, the first thing to know is that all METER soil sensors have the same research-grade accuracy with minimum sensitivity to salts (<10 dS/m bulk EC), temperature gradients, and soil texture. Among the thousands of peer-reviewed publications using METER soil sensors, no soil moisture sensor or water potential (soil suction) sensor emerges as the favorite. Thus sensor choice should be based on your needs and application. Use the following considerations to help identify the perfect soil moisture sensor or water potential sensor for your research.  Explore the links for a more in-depth look at soil moisture definitions, terms, and topics.

土壌水分の測り方-正しい測り方を選ぼう

体積土壌水分

土壌中の水分量（または割合）の増減を測定したい場合は、水分センサー（土壌水分センサー）が必要です。土壌は水、空気、ミネラル、有機物、そして時には氷で構成されています（図1）。 構成要素として、水は全体の何割かを占めています。土壌の水分量を直接測定するには、質量としての水の量とそれ以外のものの質量の合計を比較することによって、質量ベースでの割合を計算することができます（重量土壌水分）。 しかし、この方法は手間がかかるため、ほとんどの研究者は土壌水分センサーを使用して、容積土壌水分（VWC）と呼ばれる体積ベースの測定を自動化しています。

METER社の土壌水分センサーは、高周波静電容量技術を使用して土壌の体積土壌水分を測定します。 一般的に土壌水分センサーが必要とされるアプリケーションは、流域特性、灌漑スケジュール、温室管理、肥沃度管理、植物生態学、水分バランス研究、微生物生態学、植物病害予測、土壌呼吸、水文学、土壌健康モニタリングなどです。体積土壌水分についてはこちらをご覧ください。

水ポテンシャル

植物が利用可能な水、植物の水ストレス、または水の動き（水が動 くかどうか、どこに移動するか）を把握する必要がある場合は、土壌 水分センサーに加えて、 水ポテンシャル土壌センサーが必要です。水ポテンシャルとは、土壌中の水のエネルギー状態、言い換えれば、水が土壌表面にどれだけ強く結合しているかを示す尺度です。この張力によって、根が水を取り込めるかどうかが決まり、植物の生育に水が利用できるかどうかの範囲がわかります。さらに、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ため、研究者は水ポテンシャルを用いて水の移動のダイナミクスを理解し、予測することができます。 水ポテンシャルについて詳しくはこちらをご覧ください。

「研究者対象 水ポテンシャル完全ガイド」をダウンロード

土壌のタイプと質感を理解する

土壌において、土壌粒子間の空隙（孔）は、毛細管のシステムとして単純化して考えることができます。毛細管の直径は、関連する粒子のサイズとそれらの空間的関連性によって決まります。これらの毛細管のサイズが小さいほど、水分は表面との関連性によってしっかりと保持されます。

粘土は砂よりも同じ水分含有量で水分をよりしっかりと保持します。これは、粘土の細孔が小さいため、水が結合する表面積が大きいためです。しかし、砂であっても最終的には乾燥し、表面に薄い水膜しか残らなくなると、水は強く結合します。原則として、水は地表に近いほど強く結合します。砂質土壌では水は緩く結合するため、水分量は急速に減少し、すぐに補充されます。粘土質土壌は水分を非常に強く保持するため、水の移動は遅くなります。しかし、それでも利用可能な水は存在します。

注PARIO土壌土質アナライザーを使用して、土壌の種類と土質を自動識別する。

2つの測定は1つに勝る

土壌水分センサーは、土壌の種類や質感を問わず、水分のパーセンテージを測定するのに有効です。土壌水分センサーに加え、水ポテンシャル土壌センサーという2つのタイプの土壌センサーを使用するデュアル測定は、研究者に土壌水分の全体像を示し、いつ、どれだけの水を与えるべきかを決定するのに非常に効果的です。 含水量 データは、日々の吸水による微妙な変化を示し、根域を最適なレベルに維持するためにどれだけの水を与える必要があるかを示します。 それに対して水ポテンシャルのデータは、特定の土壌タイプや土質に対して、最適なレベルがどの程度かを決定するのに役立ちます。 この仕組みについて、詳しくはこちらをご覧ください。

水分放出曲線で全体像を把握する

また、含水量と水ポテンシャルの両方を測定することで、下図（図 5）のような原位置での 土壌水分放出曲線（または土壌水分特性曲線 ）を作成することも可能です。 科学者やエンジニアは、研究室や現場でこれらの曲線を評価し、透水係数や総水利用可能量など、土壌に関する多くのことを理解することができます。土壌水分放出曲線の詳細については、こちらを参照してください。

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適切な土壌水分センサーを選ぶ

耐用年数の問題

研究者にとって、実験がどのくらいの期間継続するのかを把握することは重要です。それに応じて目的に合った土壌水分センサーを選ぶことができるからです。 METERの 10HS土壌水分センサーと EC-5土壌水分センサーにはオーバーモールド技術が採用されており、一般的な使用であればフィールドで約3～5年使用可能です（高温/湿潤条件ではそれ以下）。頑丈なTEROS 11 、TEROS 12 、TEROS 10 、TEROS 54土壌センサーは、アップグレードされたポリウレタン（エポキシ）充填により、当社の標準センサーよりも2倍長持ちするように作られています。ラボテストによると、これらのセンサーは、回路基板に水が浸入する前に10年以上使用できることが示されています。研究環境が熱帯で気温が高く、常に湿潤である場合は、必ず長寿命のセンサーを選択してください。

どのセンサーをどのような目的で使うのか？

METERの土壌水分センサーは温度に対する感度は最小ですが、設置深度が浅く、場所が露出している場合は、温度の影響を考慮する必要があります。TEROS 11とTEROS 12土壌水分センサーとTEROS 54土壌水分プロファイルプローブには、土壌水分とともに温度を測定するサーミスタが搭載されています。このため、各測定地点に余分な温度センサーを設置する必要がありません。TEROS 54プロファイルプローブは、複数の深さプラグアンドプレイで土壌水分量と土壌温度を測定するため、各データロガーポートでより多くの測定を行うことができます。

土壌水分に加えてバルク電気伝導率（EC）を測定したい研究者は、TEROS 12土壌水分センサーを選ぶべきです。このセンサーを使えば、土壌中の塩分や肥料に対するバルクEC反応を測定することができます。EC測定には、センサーのステンレス鋼電極と土壌との良好な接触が必要です。

土壌水分測定だけを考えると、多くの科学者がTEROS 10 を好みます。 設置が簡単で、安価で信頼性が高く、多くの数量のセンサーが必要な大規模プロジェクトに最適です。難しい（硬い、岩の多い）土壌、鉢植え用土、無肥料培地では、土壌との接触を良好に保ち、土壌や基質中の空隙を補正するため、TEROS シリーズのセンサーの使用をお勧めします。

すべてのMETER土壌水分センサーは、METERデータロガーとプラグアンドプレイで使用できます。また、SDI-12プロトコルを使用してサードパーティのロガーとも統合できます。さらに、SDI-12プロトコル ZL6を使用すれば、遠隔地から簡単にデータを収集したり、手動でデータをダウンロードすることができます。

METER水分センサーと他の方法との比較

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水分測定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種類のフィールド調査に適用できるのか、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

変動性を理解するのは難しい

研究サイトのエリア内における土壌水分の変動は、土壌の性質、植生被覆の量と種類、地形、降水量およびその他の気象要因、管理方法、および土壌水理特性（土壌中の水の移動速度）の違いによって生じます。研究者は土壌水分の多様性を検討しながら必要なサンプ ル地点の数を把握し、地形の特徴の変動を 考慮しなければなりません。
科学者は、土壌の変動の影響を理解し、土壌プロファイル内の水の動きを観察するために、さまざまな深さで土壌水分を測定することがよくあります。変動の大きい研究エリアやサイトでは、多数の土壌水分センサーが必要になることがよくあります。EC-5土壌水分センサーまたはTEROS 10土壌水分センサーは、大規模な土壌センサーネットワークを必要とする科学者にとって経済的な選択肢です。当社の最新センサーであるTEROS 11土壌水分センサーとTEROS 12土壌センサーは、影響容積が大きく（1リットル）、変動を平滑化するのに役立ちます。

設置がデータに影響を与える

METERの高品質で研究グレードのセンサーは優れたデータを生み出しますが、ユーザーは設置の準備として現場の状況を理解する必要があります。すべての誘電体プローブは、突起の間が最も感度が高くなります。

プローブと土壌の接触が失われたり、センサーの測定範囲内で土壌が圧縮されたりすると、測定誤差の原因となります。また、表面に水が溜まったり、プローブの設置穴の下を優先的に水が流れることも、測定誤差の原因となります。 これらは、特定の現場や土壌タイプに最適な設置方法を選択する際に考慮すべき問題であり、困難な土壌では土壌水分センサーの針の形状、サイズ、耐久性が重要になることを意味します。 新しい TEROS Borehole Installation ToolTEROS 使用することで、エアギャップ、土壌の乱れ、偏流をなくすことができます。動画で その仕組みをご覧ください。

土壌が岩石質であったり硬すぎたりして土壌とセンサーがうまく接触しない場合は、TEROS 21水位センサーの使用を検討してください。土壌水分放出曲線を用いて水ポテンシャルデータから含水量を計算することができ、TEROS 21を埋め戻したり詰め込んだりすることができます。TEROS 10、11、または12個の土壌水分センサーを設置ツールと共に使用することは、困難な土壌に対して私たちが満場一致で推奨する方法です。

土壌水分センサーに高い精度が必要ですか？

より高い精度を得るには、土壌に特化した校正をご検討ください。METERの土壌水分センサは、土壌の誘電率を測定することによって土壌の体積土壌水分を測定します。しかし、すべての土壌が同一の電気的特性を持っているわけではありません。土壌の嵩密度、鉱物学、土質、塩分濃度のばらつきのため、現在のMETERセンサーの一般的な鉱物校正では、ほとんどの鉱物土壌で約±3～4%の精度、無土壌生育基盤（鉢植え用土、ストーンウール、ココエアなど）では約±5%の精度となります。しかし、土壌固有の校正を行うことで、精度は土壌と土のない基質に対して±1～2%に向上します。METERは、土壌水分センサーのユーザーに対し、体積土壌水分測定で最高の精度を得るために、土壌別校正を実施するか、当社の土壌別校正サービスを利用することを推奨しています。

適切なフィールド水ポテンシャルセンサーを選ぶ

優れた水ポテンシャル測定を行うには、適切な測定器を選び、それを巧みに使用することが重要です。 理想的には、湿潤から乾燥までの全範囲にわたって水ポテンシャルを単純かつ正確に測定できる測定器が1つあればよいのですが、 現実の世界では、様々な測定器があり、それぞれが明確に定義された範囲を持っています。図7は、METER社のTEROS 21マトリックポテンシャルセンサーが、植物の利用可能水域（圃場容量から空気乾燥まで）の水ポテンシャル測定に有用であることを示しています。TEROS 22マトリックポテンシャルセンサーはTEROS 21と似ていますが、設置プロセスが簡単です（溝を掘る必要がありません）。TEROS 21とTEROS 22の両方が、全湿潤範囲にわたって測定できます。研究室および現場でのテストによると、これらのセンサーは、少なくとも永久萎凋点と同程度の乾燥状態であれば、許容できる精度で水ポテンシャルを測定することができます。テンシオメーターは 、水の移動が最も多い湿潤域の水ポテンシャルを測定する精度がはるかに高くなります。高水位域を直接測定できるのはテンシオメーターだけです。

コリン・キャンベル博士のウェビナー（下記）「水ポテンシャル201：正しい測定器の選択」では、水ポテンシャル測定器の理論、水ポテンシャル測定の課題、様々な水ポテンシャル測定器の選択と使用方法について説明します。

マトリック電位センサー

METERのTEROS 21およびTEROS 22マトリックポテンシャルセンサーは、土壌水分センサーと既知の水分放出曲線を持つ多孔質基材で構成されています。多孔質材料が周囲の土壌と平衡化した後、水分センサーは多孔質材料の含水量を測定し、センサーは水分放出曲線を使用して含水量を水ポテンシャルに変換します。

• 範囲と精度：マトリックスポテンシャルセンサーの測定範囲は、多孔質基質の細孔径のばらつきに依存し、細孔径の範囲が広ければ広いほど、測定範囲は大きくなります。 市販のセラミックは、均一な孔径を持つように設計されているため、測定範囲が制限されます。TEROS 21とTEROS 22は、より広い測定範囲を実現するため、孔径分布の広い特別設計のセラミックを使用しています。 しかし、センサーの精度は、水分放出曲線がその特定のセンサーの多孔質基材をどれだけよく特徴付けているかに左右されます。基質がセンサーごとに一貫していればいるほど、各センサーの精度は高くなります。 孔径が大きく異なると、センサーごとに一貫性がなくなり、この2つの重要なセンサーの目標が相反することになります。
• 校正ソリューション：この矛盾は、個々のセンサーの工場校正で解決できます。 しかし、これは常に時間と費用のかかるプロセスとなっています。TEROS 21およびTEROS 22の精度は、自動校正装置を使用してセンサーを個別に校正できる画期的な工場校正方法によるものです。 これらの新しい技術により、TEROS 21とTEROS 22は、研究グレードの精度を持つ初のフルレンジ、低価格のマトリック電位センサーとなりました。

テンシオメーター

水ポテンシャルとは、定義によれば、サンプル中の水と基準となる純水のプール中の水との間のポテンシャルエネルギーの差を測定したもので、テンシオメーターはこの定義を実現したものです。

テンシオメーターチューブには、（理論上は）純粋な自由水が溜まっています。この貯水池は（透過膜を介して）土壌サンプルに接続されています。熱力学第二法則により、水は貯水池から土壌へと移動し、膜の両側でエネルギーが等しくなります。これによりチューブ内に真空状態が生じます。テンシオメーターは、負圧計（バキュメーター）を使ってその真空の強さを測定し、水のポテンシャルを圧力で表します。

テンシオメーターはおそらく最も古いタイプの水ポテンシャル測定器（最初の概念は少なくとも1908年のリビングストンに遡る）ですが、今でも非常に有用です。実際、湿潤域では、高品質のテンシオメーターを巧みに使えば、優れた精度が得られます。また、先に述べたように、テンシオメーターは土壌の不均質性に影響されません。

テンシオメータの測定範囲は、チューブ内の水の真空耐性によって制限されます。水は本質的に非圧縮性ですが、エッジや砂利などの水面の不連続性が核生成点となり、水の強い結合が破壊されてキャビテーション（低圧沸騰）が発生します。ほとんどのテンシオメータは、プラントで使用可能な圧力範囲のちょうど中央である-80 kPa付近でキャビテーションが発生します。しかし、METER社は、精密なドイツ工学、綿密な構造、そして細部への徹底的なこだわりにより、現代の定番と言えるテンシオメータを製造しています。 これらのテンシオメーターは驚異的な精度と-85 kPaまでのレンジを持っています。

何のためのテンシオメーターか？

テンシオメータは用途に応じて選択する必要があります。 TEROS 31は、スポット測定や柱状試験に使用する小型の研究室用テンシオメーターです。 TEROS 31は現場でのスポットチェックに使用することもできますが、キャビテーションが発生した場合は実験室で充填しなければならないので不便です。 TEROS 32は現場用テンシオメーターです。外付けの補充チューブを備えており、充填のためにテンシオメーターを地面から取り外す必要がありません。

センサーの選択は、データ収集の要件にもよります。TEROS 32は、ほぼリアルタイムで継続的なデータを遠隔地から提供します。 ZENTRA Cloud.ZL6 データロガーおよびProCheckハンドヘルドリーダーとプラグアンドプレイできるように設計されているため、大規模なセンサーネットワークに最適です。TEROS 31は ZL6およびZENTRA Cloud 、ProCheckと連動します。TEROS 31およびTEROS 32は、キャンベルサイエンティフィック（または同様の）データロガーとインターフェースできます。

シャフト、ケーブル、詰め替えチューブの長さを理解する

TEROS 32 テンシオメーターは通常、現場で斜めに設置されます。 このテンシオメータを設置するために特別なサイズのMETERフィールドオーガを使用することをお勧めします。 また、テンシオメーターシャフトを保護するために灌漑バルブカバーボックスを使用することをお勧めします。

必要なシャフトの長さは、設置深さに基づいて決まります。 例えば、深さ1メートルで測定し、斜めに設置する場合は、シャフトの長さを計算するために、その角度を知る必要があります。一般的には、希望する設置深度より10～20cm長くなります。 さらに、補充チューブにアクセスできる必要があります。 テンシオメーターが深く埋設されればされるほど、チューブは地表に到達するために長くなるはずです。最後に、テンシオメーターケーブルの長さは、データロガーへの近さによって異なります。

土壌水分の定義資料

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)

土壌水分の測定方法についてご質問がありますか？

以下のウェビナーをご覧ください：

• 土壌水分が単なる量ではない理由
• 水分量：水分量とは何か、その測定方法、そして水分量が必要な理由
• 水ポテンシャル：水分ポテンシャルとは何か？
• 水分量、水ポテンシャル、あるいはその両方を測定すべきかどうか
• 各パラメーターを測定するセンサー

土壌水分データの見方

土壌水分測定について深く掘り下げてみましょう。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、現場、環境などの様々な状況において何を期待すべきかについても教えてくれます。

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。

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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。

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