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あなたにぴったりの土壌センサーは？

METERの土壌センサーを使用した査読付き研究論文の数は数千に上りますが、その中である特定のタイプのセンサーが支持されていることはありません。センサーの選択はあなたの目的と用途に基づいて行う必要があります。以下の検討事項を参照しながら、あなたの研究に最適なセンサーを特定していただければと思います。

どの土壌水分センサーを選ぶべきか？

土壌の水分をどのように測定するかを決めるのは複雑ですが、METERの手軽でプラグアンドプレイの土壌センサーは、プロセスを簡素化してくれます。METERの土壌水分センサーを検討するにあたってまず知っておくべきことは、すべてのMETERの土壌センサーは塩類（バルクEC 10 dS/m未満）、温度勾配、土質に対する感度が最小で研究レベルの精度であることです。METERの土壌センサーを使用した研究論文は何千にも上りますが、その中である特定のセンサーが支持されているということはありません。センサーの選択はユーザーの目的と用途に基づいて行う必要があります。あなたの研究に最適な土壌水分量センサーまたは水ポテンシャルセンサーを特定するために、以下の事項を検討してください。土壌水分量の定義、用語、およびトピックについてのより詳細な情報については、リンクを参照してください。

土壌水分の測り方-正しい測定方法の選択

体積含水率

土壌中の水分量（または割合）の増減を測定したい場合、水分量センサー（土壌水分量センサー）が必要になります。土壌は、水、空気、鉱物、有機物、時には氷で構成されています（図1）。成分として、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合計質量を比較して、質量ベースでの割合を算出する方法（重量含水比）があります。しかし、この方法は手間がかかるため、多くの研究者は土壌水分センサーを用いて、体積含水率（VWC）と呼ばれる体積ベースの自動計測を行っています。

METERの土壌水分量センサーは、高周波静電容量技術を使用して土壌の体積含水率を測定します。つまり、土壌の総体積と比較した体積ベースの水分量を測定します。土壌水分量センサーが必要とされる用途としては、流域特性、灌漑スケジュール、温室管理、肥培管理、植物生態学、水収支研究、微生物生態学、植物病予測、土壌呼吸、水文学、土壌健康モニタリングなどが挙げられます。

水ポテンシャル

植物が利用できる水、植物の水ストレス、水の動き（水が動くかどうか、どこに行くか）を把握する必要がある場合、土壌水分量センサーの他に水ポテンシャル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指標です。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、植物の生育に水が使えるかどうかの範囲を提供します。また、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利用し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るのです。

土壌の種類と構造を理解する

土壌では、粒子間の空隙（孔）は毛細管システムとして単純に考えることができ、その直径は関連する粒子のサイズとその空間的な関連によって決定されます。その直径は、粒子の大きさとその空間的な関連性によって決まります。このチューブのサイズが小さいほど、表面の関連性によって水がよりしっかりと保持されます。

粘土は孔が小さく、水が結合する表面積が大きいので、同じ含水率でも砂よりも水を保持しやすいです。しかし、砂でもやがて乾燥して表面に薄い水膜ができる程度になると、水は強固に結合するようになります。原理的には、水は表面に近いほど強く結合します。砂質土では水の結合が緩いため、水の量の枯渇と補充が早くなります。粘土質の土壌は水を強く保持するため、水の動きは鈍くなります。しかし、利用可能な水はまだあります。

注意：土壌の種類、及び土性は、PARIO Plus 土壌粒度分布計測装置を使用して自動計測することができます。

2つの測定は1つの測定に勝る

土壌水分量センサーは、あらゆる土壌の種類と構造において、水分の割合を測定するのに有効です。水ポテンシャルセンサーと土壌水分量センサーの2つのセンサーを使用するデュアル測定は、土壌水分全体を把握することができ、いつ、どれだけの水を与えるべきかの判断に非常に効果的です。含水率データは、日々の水分吸収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くらいの水を与える必要があるのかを示します。水ポテンシャルデータは、特定の土壌タイプや構造に対して最適なレベルがどの程度であるかを決定します。

水分保持曲線で全体像を把握する

水分量と水ポテンシャルの両方を測定することにより、下図（図 5）のような原位置の土壌水分保持曲線（または土壌水分特性曲線）を作成することも可能で、水ポテンシャルと水分量の関係を詳細に示すことができます。科学者やエンジニアは、実験室や現場でこれらの曲線を評価し、透水係数や総水量など、土壌に関するさまざまなことを理解することができます。

正しい土壌水分センサーの選択

耐用年数が重要

研究者にとって、実験がどのくらいの期間行われるかを知ることは、その期待に応える土壌水分センサーを選択するために重要なことです。METERの10HS土壌水分センサーとEC-5土壌水分センサーは、オーバーモールド技術により、フィールドでの通常の使用で約3年から5年（暖かい/湿った条件ではもっと短くなります）もちます。TEROS 11、TEROS12、TEROS 10土壌センサーは、ポリウレタン（エポキシ）充填の改良により、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。実験室でのテストによると、これらのセンサーは、回路基板に水が侵入する前に10年以上使用できることが分かっています。もし、研究環境が熱帯で暖かく典型的な湿潤環境であるならば、常に長寿命センサーを選択することをお勧めします。

どのセンサーをどのような目的で使うか？

METERの土壌水分センサーは温度に対する感度が低いのですが、設置深度が浅く、露出した場所であるならば、温度の影響を考慮する必要があります。TEROS 11およびTEROS 12土壌水分量センサーは、土壌水分量とともに温度を測定するサーミスタを搭載しています。このため、測定場所ごとに温度センサーを追加する必要がありません。

また、水分だけでなく電気伝導度（EC）も測定したい場合は、TEROS 12をお勧めします。このセンサーは、土壌中の塩類や肥料に対するバルクECの反応を測定することができます。ECの測定には、センサーのステンレス鋼電極と土壌の間の良好な接触が必要です。

土壌の水分量測定に限定すれば、多くの科学者がTEROS 10を好んで使用しています。設置が簡単で安価、そして信頼性が高いので、センサーを大量に必要とする大きなプロジェクトに最適です。硬い土壌や岩石質の土壌、鉢植え用土、無肥料培地などでは、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に、TEROSシリーズのセンサーを使用することを推奨しています。

METERの土壌水分センサーはすべて、METERの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プロトコルを使用することにより、サードパーティのロガーと統合することもできます。また、ZL6を使用することによって遠隔地から簡単にデータを収集したりデータを手動でダウンロードしたりすることができます。

METERの土壌水分量センサーと他方式との比較

この20分間のウェビナーでは、Colin Campbell博士が土壌水分量の測定方法の違いを解明します。科学的な測定理論や各測定方法の長所と短所を探ります。また、さまざまな種類のフィールド調査に適用できる技術や、最新のセンシングが単なるセンサー以上の意味を持つ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。
• どのような技術が現場の状況に適しているか
• センサーの種類を選択する際に重要な要素
• なぜ研究用ではない方法があるのか
• 現代のセンシングはセンサーだけではありません。
• 独自のアプリケーションに適した価格対性能比を決定する方法

土壌水分 102 : 含水率法 -解説

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変動性を理解することは困難です

調査地の範囲内では、土性、植生被覆の量と種類、地形、降水量やその他の気象要因、管理方法、土壌の水理特性（土壌中を水が移動する速度）の違いから、土壌水分の変動性が生じます。研究者は、土壌水分の多様性を把握するために必要なサンプルの数を特定するために、景観の特徴の多様性を考慮する必要があります。科学者は、土壌のばらつきの影響を理解し、水が土壌断面をどのように移動しているかを観察するために、異なる深さで土壌水分量を測定することがよくあります。広い研究エリアや変動が激しい場所では、多くの場合、多数の土壌水分量センサーが必要になります。土壌水分量センサーのEC-5や土TEROS 10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となります。また、最新の土壌水分量センサーTEROS 11とTEROS 12は、より大きな測定範囲（1リットル）を持ち、変動を滑らかにするのに役立ちます。

設置がデータに与える影響

METERの高品質な研究用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をする際に現場の状況を理解する必要があります。すべての誘電率プローブは、プローブ間が最も感度が高いです。

プローブと土壌の接触が損なわれたり、センサーの測定範囲内で土壌が圧縮されたりすると、測定誤差が生じることがあります。また、表面上に水が溜まったり、プローブの設置穴に優先的に水が流れることも測定誤差の原因となります。このように、現場や土質に応じて最適な設置方法を選択することが重要であり、難しい土壌では土壌水分量センサーの針の形状、サイズ、耐久性が重要になります。TEROSシリーズに使用される新しいTEROS 掘削孔設置キットは、エアギャップ、土壌の乱れ、優先的な流れを排除することができます。動画でその仕組みをご覧ください。

岩盤や硬い土壌で、土壌とセンサーがうまく接触しない場合は、TEROS 21 水ポテンシャルセンサーの使用を検討してみてください。水ポテンシャルのデータから土壌水分保持曲線を用いて含水率を算出することができます。設置が難しい土壌の場合、TEROS 10、11、12を掘削孔設置キットを用いて設置することが、私たちが一致して推奨する方法です。

土壌水分センサーにさらに高い精度が必要ですか？

より高い精度を得るためには、土壌に特化した校正をご検討ください。METERの土壌水分量センサーは、土壌の誘電率を測定することによって土壌の体積含水率を測定します。しかし、すべての土壌が同一の電気的特性を持つわけではありません。土壌のかさ密度、鉱物学的特性、土性、塩類にはばらつきがあるため、現在のMETERセンサーの一般的な鉱物校正式では、ほとんどの鉱物土壌で約±3～4%、土壌のない栽培基質（鉢底土、石毛、ココナツ繊維など）で約±5%の精度が得られます。しかし、土壌に特化した校正を行うことで、土壌と無肥料栽培用土の精度は±1～2%に向上します。METERでは、体積含水率を可能な限り正確に測定するために、土壌水分量センサーのユーザーは土壌別校正を行うことを推奨しています。

正しい圃場の水ポテンシャルセンサーを選ぶ

水ポテンシャルの測定は、正しい測定器の選択とその使い方に大きく左右されます。理想的なのは、湿潤から乾燥までの全領域の水ポテンシャルをシンプルかつ正確に測定できる装置が1つあることです。しかし、現実の世界では、さまざまな測定器があり、それぞれが測定範囲を明確に定めています。図7は、METERのTEROS 21マットリックポテンシャルセンサーが、植物の有効水分範囲（圃場容水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。実験室およびフィールドテストでは、少なくとも永久しおれ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測定が可能であることが示されています。テンシオメーターは、水の動きが最も激しい湿潤域の水ポテンシャルの測定において、より高い精度を有しています。高水ポテンシャル域を直接測定できるのは、テンシオメーターだけです。

Colin Campbell博士のウェビナー（下記）『Water Potential 201: Choosing the Right Instrument』では、水ポテンシャル測定の課題や各種水ポテンシャル測定器の選び方や使い方など、水ポテンシャル測定器の理論について解説しています。

マトリックポテンシャルセンサー

METERのTEROS 21マトリックポテンシャルセンサーは、水分量センサーと水分保持曲線が既知の多孔質基材で構成されています。多孔質基材が周囲の土壌と平衡した後、水分量センサーが多孔質基材の水分量を測定し、センサーは水分放出曲線を用いて水分量を水ポテンシャルに変換します。

• 測定範囲と精度：マトリックポテンシャルセンサーの測定範囲は、多孔質基材の細孔径のばらつきに依存し、細孔径の範囲が広いほど、測定範囲は大きくなります。市販のセラミックスは、細孔径が均一になるように設計されているため、測定範囲が限定されてしまいます。TEROS 21は、細孔径の分布が広い専用セラミックを使用することで、より広い測定範囲を実現しています。しかし、センサーの精度は、水分保持曲線がそのセンサーの多孔質基材をどれだけ特徴づけているかに依存します。センサーの基質がセンサーごとに一貫していればいるほど、各センサーはより正確になります。しかし、多孔質基材の細孔径が大きく異なると、センサーごとにばらつきが生じ、この2つの重要な目標が相反することになります。
• キャリブレーションによる解決策：この矛盾は、個々のセンサーを工場で校正することで解決することができます。しかし、これは常に時間とコストのかかるプロセスでした。TEROS 21の精度は、自動校正装置を用いてセンサーを個別に校正することができる画期的な工場校正手法に由来しています。これらの新しい技術により、TEROS 21は、研究レベルの精度を持つ初の低コストなマトリックポテンシャルセンサーとなりました。

テンシオメータ

水ポテンシャルは、試料中の水と、基準となる純水中の水との間のポテンシャルエネルギーの差を測定するものであると定義されています。テンシオメーターはこの定義を具現化したものです。

テンシオメータのチューブには、（理論的には）純度の高い自由水が溜まっています。この貯水部は、土壌サンプルと（透水性の膜を通して）接しています。熱力学の第二法則により、水は膜の両側でエネルギーが等しくなるまで貯水部から土壌に移動します。その結果、チューブ内は真空になります。テンシオメーターは、負圧計（圧力変換器）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現するものです。

テンシオメータは、おそらく最も古いタイプの水ポテンシャル測定器ですが（最初のコンセプトは少なくとも1908年のLivingstonまで遡ります）、非常に便利なものであることは間違いありません。実際、湿潤域では、高品質のテンシオメーターを上手に使えばかなりの精度が得られます。また、前述したように、テンシオメータは土壌の不均質性に影響されることはありません。

テンシオメータの測定範囲は、チューブ内の水が真空に耐えられるかどうかで制限されます。水は基本的に非圧縮性ですが、水面のエッジやグリットなどの不連続面が核となり、水の強い結合が破壊され、キャビテーション（低圧沸騰）が発生します。多くのテンシオメータは、植物が利用できる範囲のちょうど真ん中、-80 kPa付近でキャビテーションを起こします。しかし、METERのテンシオメータは、精密なドイツ工学と綿密な構造、そして細部へのあくなきこだわりによって、モダンクラシックな製品となっています。METERのテンシオメータは高精度と-85 kPaまでのレンジを誇ります。

どんな用途にどのテンシオメータを使うか？

テンシオメータは用途によって選ぶ必要があります。TEROS 31は、スポット測定やカラム実験に使用する実験用小型テンシオメータです。TEROS 31を現場でスポットチェックに使うことも可能ですが、キャビテーションが発生すると実験室で再充填しなければならないので不便です。TEROS 32は、圃場用テンシオメータです。TEROS 32は、外付けの再充填チューブを備えており、水の充填のためにテンシオメータ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依存します。TEROS 32は、ZENTRA Cloudを使ってほぼリアルタイムの連続データをリモートで取得することができます。ZL6データロガーとプラグアンドプレイできるように設計されており、大規模なセンサーネットワークに最適な選択肢となります。TEROS 31も、ZL6、ZENTRA Cloudと連携します。TEROS 31と TEROS 32はいずれも、Campbell Scientific（または類似の）データロガーとインターフェースで接続することができます。

シャフト、ケーブル、再充填チューブの長さを把握する

TEROS 32テンシオメータは、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フィールドオーガーを使用することをお勧めします。また、テンシオメータシャフトを保護するために灌漑用バルブカバーボックスを使用することもお勧めします。

必要なシャフトの長さは、設置する深さによって異なります。例えば、深さ1mで斜めに設置する場合、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ほど長くします。さらに、補充用のチューブにアクセスできるようにする必要があります。埋設深度が深いほど、チューブを長くして地表に届くようにする必要があります。最後に、テンシオメータケーブルの長さは、データロガーとの間の距離に依存します。

土壌水分の定義資料

Kirkham, Mary Beth. Principles of soil and plant water relations. Academic Press, 2014. (Book link)

Taylor, Sterling A., and Gaylen L. Ashcroft. Physical edaphology. The physics of irrigated and nonirrigated soils. 1972. (Book link)

Hillel, Daniel. Fundamentals of soil physics. Academic press, 2013. (Book link)

土壌水分の測定方法に関するご質問は？

以下のウェビナーをご覧ください。

• 土壌の水分は単なる量ではない理由
• 含水率：含水率とは何か、どのように測定するのか、そしてなぜそれが必要なのか
• 水ポテンシャル：水ポテンシャルとは何か、水分量とどう違うか、なぜ必要か
• 水分量、水ポテンシャル、またはその両方を測定すべきかどうか
• どのセンサーがそれぞれのパラメータを測定するか

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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、Colin Campbell博士が、予測を超えた、あるいは問題のある土壌水分データをどのように解釈するかについて説明しています。また、土壌、敷地、環境などの様々な状況下で何を期待すべきかについても教えてくれています。

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