研究者対象 土壌水分完全ガイド #2
センサーの設置方法はどれが良いのか？
水の補充と利用のパターンは、土壌分布の深さにわたって土壌水分の大きな空間的変動を生じさせます。したがって、土壌水分量の正確な測定は、水収支研究の基礎となるものです。正確にモニターされた分布の測定値は、水の使用率、深部浸透量、植物が使用するために蓄えられた水の量を示します。
測定誤差を防ぐ方法
高品質な体積含水率測定を行うための共通の課題として、以下の3つが挙げられます：
- 土壌水分センサーが攪乱されていない土壌に設置されていることを確認する。
- 測定範囲内の根やバイオポアによる撹乱を最小限に抑える。
- プローブへの優先的な水の流れ、およびプローブ周辺の水の流れをなくす。
すべての誘電率プローブは、プローブの表面で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、プローブ表面で土壌が圧縮されたりすると、大きな測定誤差が生じることがあります。また、プローブ表面に水が溜まったり、プローブの設置穴から優先的に水が流れてきたりすることも、大きな測定誤差の原因になります。
土壌水分センサーの設置には、必ず多少の掘削が必要です。土壌をできるだけ傷つけず、正確にサンプリングするにはどうすればよいのでしょうか。5つの異なる分布サンプリング戦略の長所と短所を考えてみましょう。
市販のプロファイルプローブでよくある問題「選択流」
プロファイルプローブは、水分分布量測定のためのワンストップソリューションです。1つの穴に1つのプローブを設置することで、多くの深度の測定値を得ることができます。プロファイルプローブはうまく機能しますが、適切な設置は厄介で、公差が厳しいです。プローブの表面全体が確実に接触するように、1つの深い穴を正確に掘るのは難しいのです。接触を改善するために埋め戻すと、再充填や測定誤差が生じます。また、プロファイルプローブは、アクセスチューブの長い面を流れる選択流の問題を特に受けやすいです。（注意: 新しいTEROS掘削孔設置ツールは、選択流をなくし、測定場所の攪乱を減らすと同時に、選択した深さにセンサーを設置することを可能にします）
トレンチ設置は手間がかかる
溝の側壁から異なる深さのセンサーを設置する方法は、簡単で正確な方法ですが、実際に溝を掘るのは大変な作業です。この方法では、埋め戻しや選択水流の問題がなく乱されていない土壌にプローブを設置することができます。しかし、掘削を伴うため、一般的には、他の理由で溝を掘る場合や、土壌が石ころや砂利だらけで他の方法が使えない場合にのみ使用されます。掘削した部分は、過度のエッジ効果を避けるため、元の土壌とほぼ同じ密度になるように充填して埋め戻す必要があります。
オーガーホールの側壁の取り付けは、より少ない作業で
単一のオーガーホールの側壁からプローブを設置する方法は、重機なしトレンチ法の利点の多くを備えています。この方法はBogenaらによってEC-5プローブで使用されました。彼らは、複数の深さに同時にプローブを設置するための装置を作りました。トレンチ設置と同様に、エッジ効果を避けるため、穴はほぼサンプリング前の密度になるように充填し埋め戻す必要があります。
オーガーによる掘削孔は土壌層を乱しますが、サイトへの影響の相対的な大きさは、トレンチ設置の場合の数分の一です。トレンチの長さは約60～90cm、幅は40cm程度です。小型ハンドオーガーとTEROS掘削孔設置ツールを使った掘削孔への施工では、直径10cmの穴を開けるだけなので、トレンチの2～3％の面積で済みます。そのため、マクロ孔や根、植物を傷つけることが少なく、自然な状態に早く戻すことができます。また、小さな穴の中で設置ツールを使用するため、土壌とセンサーの接触が良好で、分離する土壌が少ないため、水平層の分離や正しい土壌密度への埋め戻しが非常に容易です。
複数穴での設置で失敗を防ぐ
各深度ごとに別のアクセスホールを掘ることで、各プローブがそれぞれのホールの底にある不攪乱土壌に設置されることを保証します。他の方法と同様に、埋め戻されたオーガー穴に優先的に水が流れ込まないように注意しますが、1つの穴ですべての測定が行われた場合と異なり、1つの穴で失敗してもすべてのデータが危険にさらされることはありません。
この方法の主な欠点は、分布の各深度ごとに穴を掘らなければならないことです。しかし、穴は小さいので、通常、簡単に掘ることができます。
1つ穴の設置は最も好ましくない
穴を1つだけ掘り、底にセンサーを1つだけ設置し、次いで穴を埋め戻し、再充填した土壌にセンサーを目的の深さまで設置しながら水分分布を測定することは可能です。しかし、再充填された土壌は、撹乱されていない状態とは異なるかさ密度を持つことがあり、土壌の掘削、混合、再充填によって分布が完全に変化しているため、これは議論した中で最も好ましくない方法です。それでも、穴を1つだけ設置する方法は、目的によっては十分に満足のいくものであるかもしれません。設置場所が周囲の土壌と平衡になるようにし、根が土壌に伸びるようにすれば、攪乱された土壌の相対的な変化は、周囲の土壌の変化を反映するはずです。
引用文献
Bogena, H. R., A. Weuthen, U. Rosenbaum, J. A. Huisman, and H. Vereecken. “SoilNet-A Zigbee-based soil moisture sensor network.” In AGU Fall Meeting Abstracts. 2007. Article link.
その他の設置に関するアドバイス
以下の動画では、センサー設置のエキスパートであるChris Chambersが、土壌水分センサーをより賢く設置するべき理由と、それを実現する方法について説明しています。
- 優れた土壌水分データとはどのようなものか
- 様々な設置上の問題がどのようにデータに現れるか（空気間隙、センサーの緩み、土質の変化、深さの交差など）
- 正確な設置を保証する方法
- 新型TEROS掘削孔設置ツールは、空気間隙と現場の攪乱を減らし、一貫性を向上させることができるのか
- 正しく設置するために、他の科学者が行っていること
「TEROS INSTALLATION TOOL - Simply Precise Data」
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現場の攪乱がデータに与える5つの影響とその対策
土壌水分を測定する場合、現場の攪乱は避けられません。私たちの中には「土壌センサーは、現場の土壌が大量に攪乱されても土壌水分について何かを教えてくれるはずだ」という考えで自分を納得させている人がいるかもしれません。あるいは、土壌水分センサーは攪乱されていない土壌に刺すのだから、センサー周辺の土壌特性が変化しても問題ないだろうと考えるかもしれません。しかし、実際には土壌の攪乱は見過ごしにできない問題であり、土壌水分データへの影響を軽減する方法は存在します。以下では、土地の乱れについて説明し、研究者がデータの不確実性に対処するために設置技術をどのように調整できるかを説明します。
攪乱させない方法は、まだ十分とは言えない
土壌水分センサーの設置では、代表的な測定値を得るために、可能な限り土壌の攪乱を少なくすることが重要です。衛星、地中レーダー、COSMOSなどの非撹乱法が存在します。しかし、これらの方法は、水分量に対する単一のアプローチとして実用的でない課題を抱えています。衛星は設置面積が大きいですが、土壌の上部5～10cmを測定するのが一般的で、解像度や測定頻度が低いです。地中レーダーは解像度が高いですが、高価であり、下層の境界深度が不明な場合、データの解釈が困難です。COSMOSは地上の非侵襲的な中性子法で、直径800mまでのエリアで連続的に測定し、衛星よりも深いところまで到達します。しかし、多くの用途ではコストが高く、植生と土壌の両方に感度があるため、研究者は2つの信号を分離する必要があります。これらの方法は、土壌水分センサーを置き換えるにはまだ早いですが、土壌水分センサーが提供するグランドトゥルースデータと併用することで、うまく機能するようになります。
1. 攪乱の結果は...攪乱する
調査地が攪乱された後、土壌が自然の状態に戻るには6ヶ月、あるいはそれ以上かかることがあります。影響を与える要因としては、降水量（湿潤気候は乾燥気候よりも早く「通常」に戻る）、土壌の種類、土壌密度があります。研究者は、平衡状態が戻るのを待つため、最初の2、3ヶ月のデータを無視することが一般的です。研究者が掘削するとき、成熟した草や植物は取り除かれ、その後植え替えられます。多くの場合、これらの植物は再植え付けが困難であり、大規模な撹乱では、これらの植物のかなりの数が成長しないか枯れてしまいます。これらの植物はもはや水を蒸散させないので水収支が変化し、土壌水分データに重大な影響を与える可能性があります。表面の撹乱をがより少なくするオプションは、植物の死滅を減らすことにより結果を改善することができます。
2. マクロポアをつぶすと壊滅的な打撃を受ける可能性がある
土壌が移動したり圧縮されたりすると、土壌の構造と水の移動に影響を与える様々な大きさの孔を持つ小さな毛細管であるミクロポアとマクロポアに多大な影響を与えます。土地の攪乱と土壌の再充填によって土壌のマクロポアが破壊されると、水の移動がより遅く、異なる経路を通るようになります。その結果、攪乱区域の下の涵養に影響を与えることになります。土壌の除去量を少なくする設置方法は、この問題を最小限に抑えるためのものです。
3. 土の密度を適切にするのは難しい
圧縮の反対は、土壌が緩く詰め直された場合に起こります。これは、選択流が掘削孔や溝の壁の側面に沿って優先的に流れ、通常よりも多くの水がそのゾーンに移動することを可能にします。この余分な水分は、センサーの針が挿入されている攪乱されていない土壌に吸収されることが多く、土壌水分データに歪みが生じます。この問題に対処するため、研究者は、適切な密度になるように時間をかけて穴を慎重に埋め戻す必要があります。土を追加し、表面にわずかな盛り上がりができるまで何層にも積み重ねることで、水たまりができるのを防ぐことができます。表面が平らな場合、時間が経つと土が沈んで窪んでしまうことがあります。大きな穴を開けると、かなりの大きさの窪みができてしまい、水が優先的に集まり、センサー周辺の土壌への水の浸透の仕方が変わってしまうことがあります。
4. 水平層の混在は、水文学の混乱につながる
設置穴の埋め戻し時に土壌の水平層を混ぜると、土壌の水分特性が大きく変化することがあります。例えば、ある土壌が砂質のA層と粘土質のB層を持つ場合、その層を逆にしたり混ぜたりすると、明らかな影響が出ます。土層には、区別がつきやすいものと、区別がつきにくいものがあります。そのため、土壌の水文学が変化しないように、慎重に土壌を取り除き、層状に戻す必要があります。研究者は、設置穴の周囲にタープを敷き、土を1層ずつ丁寧に取り除き、タープの上に順番に置いていくことでこれを実施します。このとき、順番を混同しやすいので事前に覚えておくとよいでしょう。センサーの設置後、研究者は土層を穴に逆順に戻し、各層ごとに正しい密度になるように詰め直す必要があります。
5. 根系がダメになると、データもダメになる
土壌水分センサーを設置するために溝を掘ると、大きな根系が破壊される可能性があります。特に、成熟した低木や樹木がある地域で掘る場合、根系が破壊される可能性があります。根は土壌中の水分の主要な枯渇メカニズムであるため、根が枯れると、土壌水分の測定値が研究エリア全体をどの程度反映しているかが変わってきます。センサーの近くにある根がすべて枯れてしまうと、測定結果は、水が実際よりも豊富であるかのように見えてしまうかもしれません。この問題を解決するには、ボーリング孔を戦略的に配置し、根系の攪乱をより少なくします。
溝の設置-最善か最悪のアイデアか？場合による
溝の設置の利点は、研究者が土壌分布全体を見ることができるため、硬盤層の特定、水平層と土壌タイプの決定、土壌構造と形成の特定がより簡単にできることです。しかし、大きな溝を掘ると大量の土壌を取り除くことになります。そのため、埋め戻すときにマイクロポアの破壊や水流の遮断が生じて、水を人為的に水をセンサーから逃がしたり、逆にセンサーに向かわせたりする可能性が高くなります。さらに、時間短縮のためにバックホウを使用すると、状況は悪化します。バックホウのトラックとパッドは土壌を圧縮し、特に濡れている場合は、タイヤのトレッドが植物や根系を引き裂きます。
プロファイルプローブ ― 近くて遠い
プロファイルプローブは、小さな掘削孔を使用するため、土壌の攪乱が少なく、魅力的です。しかし、プロファイルプローブの形状は直線的であるため、土壌とセンサーの接触をよくするためには、壁面が完全に垂直である必要があります。しかし残念ながら、掘削孔の側面が完全に垂直であることはめったにありません。土の壁に沿ってカーブやくぼみがあるからです。直線的なプロファイルプローブでは、良好な接続が得られることはほとんどなく、空気間隙や選択流に悩まされることが多いのです。そのため、プロファイルプローブの使用者は、厚い泥水で埋め戻すことで補おうとしますが、この方法にも外来土の混入や土の乾燥に伴う亀裂により正確な結果が得られないなどの課題があります。
掘削孔方式が優れている理由
掘削孔は土壌層を破壊しますが、現場への影響の相対的な大きさは、溝設置の場合の数分の一です。溝の長さは約60～90cm、幅は40cm程度です。小型のハンドオーガーとTEROSの掘削ツールを使って穴をあけると、直径10cm程度となり、溝の2～3％の面積にしかなりません。そのため、マクロポアや根、植物を傷つけることが少なく、自然な状態に早く戻すことができます。また、小さな穴の中で施工ツールを使用する場合、土壌とセンサーの接触が良好で、分離する土壌が少ないため、水平層を分離して正しい土壌密度に再充填することが非常に容易になります。
現地の攪乱をなくすことはできないが、影響を軽減することはできる
土壌水分データに対する現地の撹乱の影響を軽減する鍵は、撹乱の規模をコントロールすることです。大規模な掘削は広い範囲に影響を及ぼしますが、小さな掘削孔のオーガリングは周囲の植物や土壌の水分特性への影響が非常に少なく、調査地が自然の状態に戻るスピードが速いです。
土壌水分放出曲線をさらに詳しく見る
土壌水分放出曲線（土壌水分特性曲線、土壌水分保持曲線とも呼ばれる）は、物理的な指紋のように、それぞれの土壌タイプに固有のものです。研究者は、この曲線を用いて、特定の土壌の水分状態における水の流れを理解し、予測することができます。水分放出曲線は、次のような重要な質問に答えます：その土壌の永久しおれ点の土壌水分量はどれくらいか？灌漑はどの程度行えばよいのか？また、水は土壌から速やかに排出されるのか、それとも根域で保持されるのか？植物の水分摂取量、深部排水量、流出量などを予測するための強力なツールです。
土壌水分放出曲線とは？
水ポテンシャルと体積含水率の間には、グラフで示すことができる関係があります。これらのデータを組み合わせると、土壌水分放出曲線と呼ばれる曲線形状になります。土壌水分放出曲線の形状は、それぞれの土壌に固有のものです。土性、かさ密度、有機物の量、実際の間隙構造の構成など、多くの変数の影響を受けます。図13は、3種類の土壌のカーブ例を示しています。X軸は対数スケールでの水ポテンシャル、Y軸は体積含水率です。土壌水分量と水ポテンシャル（または土壌吸引力）のこの関係により、研究者は特定の土壌タイプにおける水の利用可能性と水の動きを理解し予測することができます。例えば、図13では、永久しおれ点（右縦線）が土壌の種類によって含水率が異なることがわかります。細砂壌土は5%VWCで永久しおれが発生し、シルト壌土はほぼ15%VWCで永久しおれが発生します。
図13に3種類の土壌のカーブ例を示します。X軸は対数スケールでの水ポテンシャル、Y軸は体積含水率です。土壌水分量と水ポテンシャル（または土壌吸引力）のこの関係から、研究者は特定の土壌タイプにおける水の利用可能性と水の動きを理解し予測することができます。例えば、図13では、永久しおれ点（右縦線）が土壌の種類によって異なる含水率になることがわかります。細砂壌土は5%VWCで永久しおれが発生し、シルト壌土はほぼ15%VWCで永久しおれが発生します。
示量変数と示強変数の比較
土壌水分放出曲線を理解するためには、示量特性と示強特性について説明する必要があります。ほとんどの人は、土壌水分を土壌水分量という1つの変数だけで見ています。しかし、環境中の物質やエネルギーの状態を表すには、2種類の変数が必要です。すべての示量変数は、物質またはエネルギーの範囲（または量）を記述します。そして、示強変数は、物質やエネルギーの強度（または質）を記述します。
| 示量変数 | 示強変数 |
|---|---|
| 体積 | 密度 |
| 土壌水分量 | 水ポテンシャル |
| 熱容量 | 温度 |
土壌水分量は示量変数です。環境中にどれだけの水分があるかを表します。土壌水ポテンシャルは示強変数です。環境中の水の強度や質（そしてほとんどの場合、利用可能性）を表します。この仕組みを理解するために、示量変数と示強変数を熱という観点から考えてみましょう。熱量（示量変数）とは、部屋にどれだけの熱が蓄えられているかを表すものです。温度（示強変数）は、その部屋の熱の質（快適さ）、つまりあなたの体がどのように感じるかを表します。
図14は、北極に浮かぶ大型船と、焚き火で熱せられたばかりの熱棒の比較です。どちらが熱容量が大きいでしょうか？興味深いことに、北極の船は熱棒よりも熱容量が大きいのですが、温度が高いのは熱棒の方なのです。
熱棒を船に接触させた場合、どの変数がエネルギーの流れを支配するでしょうか？示強変数である温度は、エネルギーがどのように動くかを支配しています。熱は常に高温から低温に移動します。
熱と同様、土壌水分量も単なる量に過ぎません。水がどのように移動するか、植物の快適度（植物が利用できる水）を知ることはできません。しかし、示強変数である土壌水ポテンシャルは、水の利用可能性と移動を予測します。
土壌水分放出曲線のデータはどこから来るのですか？
土壌水分放出曲線は、現場でも実験室でも作ることができます。現場では、土壌センサーを用いて土壌水分量と土壌水ポテンシャルを測定します。
METERの簡単で信頼性の高い誘電率センサーは、ZL6データロガーからクラウド（ZENTRA Cloud）に直接、ほぼリアルタイムの土壌水分データを報告します。これにより、膨大な作業と費用を削減することができます。TEROS 12は水分量を測定し、TEROS掘削孔設置ツールで簡単に設置できます。TEROS 21は、設置が簡単なフィールド用水ポテンシャルセンサーです。
実験室では、METERのHYPROPとWP4Cを組み合わせて、土壌水分の全範囲にわたって完全な土壌水分放出曲線を自動生成することができます。
土壌水分放出曲線の使用方法
土壌水分放出曲線は、体積含水率という示量変数と水ポテンシャルという示強変数を結びつけたものです。示量変数と示強変数を一緒にグラフ化することで、研究者や灌漑事業者は、土壌水がどこに移動するのかといった重要な疑問に答えることができます。例えば、下の図15で、下の3つの土壌が含水率15％の異なる土質層であった場合、ローム質細砂の水は、より負の水ポテンシャルを持つ細砂ローム層に向かって移動し始めるでしょう。
土壌水分放出曲線は、いつ水を入れるか、いつ水を止めるかといった灌漑の判断にも利用できます。そのためには、研究者や灌漑担当者が体積含水率（VWC）と水ポテンシャルの両方を理解する必要があります。VWCは、生産者がどれくらいの量の灌漑を行うべきかを示すものです。そして水ポテンシャルは、その水が作物にとってどの程度利用可能で、いつ灌漑を止めればよいかを示します。その仕組みは次のとおりです。
図16にローム砂、シルトローム、粘土質土の典型的な土壌水分放出曲線を示します。100 kPaでは、砂質土の含水率は10%以下です。しかし、シルトロームでは約25％、粘土質土では40％近くになっています。圃場容量は通常－10～-30kPaです。そして永久しおれ点は－1500kPa程度です。この永久しおれ点より乾燥した土は、植物に水を供給しないでしょう。また、圃場容量よりも湿った土壌の水は、土壌から流出します。研究者や灌漑担当者は、この曲線を見て、土壌の種類ごとに最適な水分量がどこにあるかを知ることができます。
図17は同じ土壌水分放出曲線で、圃場容量範囲（緑の縦線）、灌漑作物に通常設定される下限値（黄色）、永久しおれ点（赤色）を示しています。これらの曲線を用いて、研究者／灌漑担当者は、シルトロームの水ポテンシャルを－10～-50kPaの間に保つべきであることがわかります。そして、これらの水ポテンシャルに対応する水分量は、シルトロームの水分量を約32％（0.32㎥/㎥）に保つ必要があることを灌漑事業者に伝えます。土壌水分センサーは、この最適な限界値を上回ったり下回ったりしたときに警告を発することができます。
ZENTRAはすべてをシンプルにする
土壌水分放出曲線から情報が得られると、METERのZL6データロガーとZENTRA Cloudは、最適な水分レベルを維持するプロセスを簡素化します。ZENTRA Cloudで上限と下限を設定すると、ほぼリアルタイムの土壌水分データ（青い網掛け）の上に網掛けされた帯状に表示されるので、水を与えるオンとオフのタイミングを簡単に知ることができます。また、その限界値に近づいたり超えたりすると、自動的に警告が発せられます。
現場での土壌水分放出曲線？はい、可能です
水ポテンシャルセンサーと土壌水分センサーを原位置に配置することで、研究者の知識ベースに多くの土壌水分放出曲線を追加することができます。また、地盤工学エンジニアや灌漑科学者が最も関心を寄せるのは主に不飽和土の原位置特性であるため、実験室で作成した曲線に原位置での測定を加えることは理想的です。
以下のウェビナーでは、METERのリサーチサイエンティストであるColin Campbell博士が、Pan American Conference of Unsaturated Soilsで発表された最近の論文を要約しています。Campbellらによる論文“Comparing in situ soil water characteristic curves to those generated in the lab”（2018年）は、TEROS 21校正済みマトリックポテンシャルセンサーとMETERの土壌水量センサーを使用して原位置で生成したSWCCが、実験室で作成したものと比較してどれだけ優れているかを示しています。
「Comparing in situ soil water characteristic curves to those generated in the lab-」
待って、もっとあります
土壌水分放出曲線は、この記事の範囲を超えて、さらに多くの洞察と情報を提供することができます。研究者は、土壌の収縮膨潤容量、陽イオン交換容量、土壌の比表面積など、多くの問題を理解するためにこの曲線を使用しています。次のビデオでは、土壌水分の専門家であるLeo Riveraが、水に関する個々の土壌の挙動を分析するために土壌水分放出曲線を使用する方法について、より詳細な情報を提供しています。