この記事では、土壌サンプルの水理特性機器を使用した簡単な蒸発実験について説明します。効率的な手段により、数日間にわたって測定を行い、高品質のデータを生成することができます。
方法論記事
この記事では、土壌サンプルの水理特性機器を使用した簡単な蒸発実験について説明します。効率的な手段により、数日間にわたって測定を行い、高品質のデータを生成することができます。
土壌の水理特性の測定は、土壌の健康の物理的要素を理解するだけでなく、さまざまな管理慣行の下での土壌システムに関する統合的な知識を理解するために重要です。農業や環境に影響を与える意思決定に情報を提供するためには、信頼性の高いデータを収集することが不可欠です。ここで説明する簡単な蒸発実験では、実験室の設定で機器を使用して、現場で収集された土壌サンプルを分析します。サンプルの土壌水分張力は装置によって測定され、張力データはソフトウェアによってモデル化され、土壌の水理特性が返されます。この方法は、土壌の保水力と透水係数を測定し、処理や環境ダイナミクスの経時的な違いについての洞察を得るために利用できます。初期構築にはユーザーが必要ですが、データ取得は装置で自動化されます。土壌の水理特性は従来の実験では簡単に測定できず、このプロトコルはシンプルで最適な代替手段を提供します。結果の解釈とデータ範囲を拡張するためのオプションについて説明します。
自然環境や人間が変化した環境における土壌の保水力と透水係数は、土壌の健康状態と機能の変化を理解し、観察するのに役立ちます。土壌保水曲線(SWRC)と土壌水分伝導率曲線を通じて水理特性を定量化することで、土壌の物理的挙動と水の動きの特性評価の主要な推進要因についての洞察が得られます1。体積含水量(θ)とマトリックヘッド(h)の関係はSWRC内で表され、曲線内の範囲は飽和点、磁場容量、および永久しおれ点2を表します。土壌管理の実践、修正、農業生態系の種類、および環境条件はすべて、土壌水理に影響を与える可能性があります3,4。これらの要因は、溶質の輸送5、植物利用可能な水6、土壌呼吸と微生物活動7、さらには湿潤と乾燥のサイクル8に影響を与える可能性があります。健康で機能している土壌を定量化する上で重要な要素として、SWRCの適切な分析は、土壌の水理特性を情報に基づいて理解するために不可欠です。
現在、信頼性の高いSWRCを開発するためのさまざまな測定技術が存在しており、吊り下げ式水柱法と感圧板法は、土壌2の細孔径分布を決定するための一般的な従来のアプローチです。従来の方法は時間がかかる場合があり、通常は少量のサンプルセットを分析するのに数週間から数か月かかります9。さらに、分析が完了すると、これらの方法では、SWRC9に通知するデータポイントがいくつかしか得られません。さらに、感圧板などの従来の方法を使用して代表的なデータを生成する精度は、特にきめの細かい土壌10,11で、より低いマトリックスポテンシャルで問題になる可能性があります。テンシオメーターを使用した単純な蒸発実験アプローチとチルドミラー露点法を含むより現代的な技術は、広範囲の土壌テクスチャ2にわたってより再現性の高いデータを提供する傾向があります。1968年にWind社によって最初に開発されたこの単純な蒸発実験は、土壌サンプル12のテンシオメーターを通じて水量の変化と張力の変化を測定することを含んでいた。蒸発が発生すると、土壌サンプルの質量が特定の時間間隔で測定され、SWRCが作成されます。後にシンドラー(1980)によって改良されたこの方法は、土壌サンプル内の異なる圧力ヘッドに配置された2つの張力計のみを含みました。その後、修正された分析法が試験され、科学的分析13,14に使用できることが確認された。単純な蒸発実験の主な利点は、土壌水分曲線の大部分(0〜-300 kPa)にわたって、従来の方法よりも多くのデータポイントでデータを簡単に生成できる可能性があることです。
これらの最新の方法には、サンプル分析期間を通じて多数のデータポイントを取得し、ソフトウェアインターフェースを使用してデータを生成する自動化された装置が含まれます。水力特性機器は、サンプルデータ15から保水曲線と導電率曲線を作成する現代的な機器です。水理特性機器を用いた簡易蒸発実験を用いることで、土壌中の水分量と水分ポテンシャルの関係を評価することができる1。この実験では、テンシオメータシャフト内に存在する水は、土壌溶液中の水と平衡状態にあります。土壌水分の蒸発が起こり、土壌試料が乾燥すると、テンシオメーター内でキャビテーションが起こり、実験は終了します。SWRCの乾燥範囲では、油圧特性計器には限界があり、機器は0〜-100kPaのマトリックスポテンシャル内でしか動作できません。これは、データ範囲を-300,000kPaまたは永久しおれ点まで拡張できる土壌水ポテンシャル機器16を使用したチルドミラー露点実験で生成されたデータを含めることで改善できる。これらのデータはすべてモデリングソフトウェアの後処理にまとめられ、ヌルテンションからウィルティングポイントを超えた高いテンションまで、SWRCにまとまりを持って通知されます。次に、SWRCと透水係数曲線は、測定期間を通じて取得されたマトリックポテンシャルデータポイントに基づいて生成され、飽和状態から永久的なしおれ点まで投影された完全な曲線を生成できます。
ここで説明する方法は、水理特性機器を使用した土壌分析の簡潔な操作手順を示しています。この方法は、広範囲の農業生態系3,17,18,19における土壌の健康の定量化を含む多くの科学的環境で実施されており、機器のユーザーマニュアル20を超えたベストプラクティスを理解するための努力がなされてきました。ここでは、フィールドサンプリング、サンプル調製、ソフトウェア機能、データ処理など、手順のすべてのステップについて標準化されたプロトコルの概要を示します。この方法に従うと、信頼性の高いデータが得られるキャンペーンが成功します。適切な実装を確実にするために、高品質のデータを確保するための重要な手順、一般的な課題、およびベストプラクティスが提示されます。
1. 土壌サンプリングとサンプル調製
注:この方法のワークフローの概略図を 図1に示します。
2. センサーユニットとテンシオメーターの確立
3. キャンペーンの開始
4. システムキャンペーンの終了
5. データ分析
上記のプロトコルに従って適切な測定キャンペーンを完了すると、分析ソフトウェアで実験のデータ出力を表示することが可能になります。出力曲線は、時間の経過に伴う水の張力(hPa)を測定する張力計の読み取り値(t)から作成され、このデータの初期曲線はキャンペーンの終了直後に生成されます。2つの土壌サンプルの張力曲線の選択された例を調べて、最適な結果と最適でない結果を示すことができます(図2)。最適な結果を得るには、SWRCに情報を提供するのに最適なように、明確なキャビテーションと空気の侵入点を含む出力曲線が必要です。明確なキャビテーションと空気の侵入点がない場合でも、データは引き続き使用できますが、SWRCの精度が低下し、ソフトウェア内でより多くの後処理が必要になります。
分析ソフトウェアには、ユーザーが張力測定値21,22,23,24を分析するために使用できる複数のモデルが含まれています。ほとんどの場合、van Genutchen/Mualemモデルはデータにとって効果的な選択肢です。ただし、ユーザーは自分のデータに最も適したモデルを選択するオプションがあります15。その後、ソフトウェアはこのモデルをテンションカーブに適用し、モデル化されたカーブが出力タブで使用できるようになります。保水率、θ(h)、および不飽和透水係数K(h)またはK(θ)はすべてモデリングソフトウェアによって生成され、ここで、θは体積含水量、Kは透水係数、hはマトリックポテンシャル14です。SWRCと透水率データ出力の代表的な例を図3に示します。van Genutchen/Maulemモデルに適合した出力データを図4に示します。
結果として得られる出力曲線は、多くの土壌記述データおよび水理データの基礎となるモデル化された出力曲線に情報を提供します。主に、SWRCはこの方法の初期データから生成されますが、サンプル土壌の多孔性、かさ密度、飽和含水量、フィールド容量などの他のパラメーターは、これらのデータから推定できます。結果(図4)を比較することで、存在する土壌特性を理解し、処理間で比較することができます。

図 1: ワークフローの概要。 プロトコールを実行するには、土壌サンプルと水理特性機器の両方の準備が必要です。矢印は、サンプルと装置の準備から始まり、データ解析とサンプルの後処理まで、ワークフローのシーケンスを示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:最適および最適でない張力曲線の例。 (A)最適曲線:定期的な測定が行われ、キャビテーションに達し、張力計シャフトの張力が周囲圧力まで急激に低下します。空気の侵入は、両方の曲線で~700hPaで発生し、測定は直後に停止します。(B)最適でない曲線:定期的な測定が行われ、キャビテーションに達しますが、張力計シャフトの張力は急激に低下せず、空気の侵入フェーズがどこから始まったかを識別するのが困難です。この曲線は、データ後処理中に手動調整を使用して土壌保水曲線を通知できますが、(A)よりも精度が低くなります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:ソフトウェアからの出力曲線。 モデルが適用される前にソフトウェアに表示される土壌水分保持曲線と透水係数曲線。(A)土壌保水曲線、(B,C)サンプル分析完了後に解析ソフトウェアに表示される透水係数曲線。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:適用されたモデルを含む出力曲線。 図 4 出力データは、装置ソフトウェア内のモデルに適合させることができます。ここでは、モデル化されたデータが表示されます。(A)土壌保水曲線、および(B、C)データに適用されたvan Genuchten-Mualemモデルによる透水係数曲線。二乗平均平方根誤差 (A) 0.4%、(B) 7.09%。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
ここで説明する方法を使用した単純な蒸発実験アプローチは、SWRCと水理伝導率曲線を効率的に作成するための手段です。データ測定のシンプルさと精度により、従来の方法14の実行可能な代替手段になります。ここで説明する方法は、ユーザーマニュアルや現在の文献を超えて、この複雑な機器のより細かい点を合成し、拡張します。高品質のデータを生成するには、土壌サンプルの収集、輸送、および分析プロセスに特に注意を払う必要があります。サンプルを採取するとき、金属コア内の土壌は邪魔されないままにする必要があります。金属コアは、土壌を乱す可能性のある振動や傾きを避けるために、ハンマーで打つ間中水平に保つ必要があり、サンプルは輸送中に慎重に取り扱われます。
さらに、計器システムの各部分に入る空気の量を細心の注意を払って制限する必要があります。出力張力曲線は、意図せずに空気が導入された場合、精度が低下する可能性があります。この方法の組み立てと実行には、空気がシステムに入る機会を排除することを目的として、メーカーの推奨を超える多くのステップがあります。このようなニュアンスには、脱気水の利用、変更されたテンシオメーターの補充手順、および土壌サンプル飽和状態への水の継続的な再適用が含まれます。実験で使用した水が適切に脱気されていること、テンシオメーターが正しく補充されていること、センサーユニットのテンシオメーターポートに気泡やエアポケットがないことを確認することが重要です。これらは、キャンペーンを成功させるためのプロトコルで熱心に観察すべき重要なポイントです。
キャビテーション後、空気の入口点に到達したときに測定キャンペーンが完了します。これは、 図2に示すように、測定曲線上の両方の張力計で張力の読み取り値が急速にゼロに低下する鋭いピークの後に現れます。測定期間の後、データ分析中に、出力データの精度を高めるためにユーザーによる変更を加えることができます。例えば、データ処理ソフトウェア内では、テンションカーブに明らかな問題がある場合、目視検査やユーザーの裁量に応じて、スタートポイント、ストップポイント、エアエントリーポイントを手動で調整することができます。テンシオメーターが読み取りを開始し、水の蒸発がまだ始まっていないため、測定キャンペーンの開始時に大きな変動が生じる可能性があります。このデータノイズは、ソフトウェアインターフェースのスタートラインをさらに右に移動させることで、後処理段階で簡単に除去できます。さらに、キャビテーションのテンシオメータの読み取り値が鋭いピークではなくプラトーである場合、ソフトウェアがキャビテーションの開始位置と終了位置を自動的に識別するのが難しい場合があります。この課題は、ストップ トップ ラインとストップ ボトム ラインの両方を移動して、キャビテーションを示すのに十分な幅の傾斜の変化を捉えるスケール ロケーション ポイントに移動することで解決できます。同様に、エアエントリーポイントも同様に調整でき、カーブのプラトー部分の端に移動できるため、データドメインの適切な部分がソフトウェアによってキャプチャされていることを確認できます。
水理特性計器から生成されたSWRCの乾燥範囲に向かうデータポイントが少ないと、データをデータに適用する際に不正確さが生じる可能性があります。この状況は、乾燥した保水範囲をカバーする他のデータソースを組み込むことで強化できます。追加のデータポイントは、土壌水ポテンシャル機器で同じ土壌サンプルを分析し、これらのポイントを分析ソフトウェアに手動で入力することで補完できます。追加のデータにより、ドライレンジの推定値の有効性が向上し、比較的使いやすくなります。両方の機器からのデータを組み合わせることは、研究目標が土壌水分保持の全範囲に関係している場合に価値あるものになる可能性があります。土壌水ポテンシャル機器の操作、これらの測定値の適用性、および水力特性機器との統合に関する詳細情報は、既存の文献2,16,17,25に記載されています。
土壌保水曲線と透水係数曲線は、土壌サンプルの物理的および不飽和水理特性の重要な特性評価を提供します。環境科学、農業科学、土壌科学のすべての分野において、土壌の物理的および水理学的特性を変化させる土地管理の実践は、土壌の健康に永続的な影響を与える可能性があります3,17。土壌の研究とモニタリングにおいて土壌の指標と指標を定量化することは、対照的な管理慣行が土壌に及ぼす真の影響についての認識を高めるのに役立ちます。圃場の容量、植物の利用可能な水、細孔径分布、水の導電率などの特性を理解することで、土壌の健康のための好ましい土壌管理の実践について十分な情報に基づいた結論が得られます26。ここで説明したように堅牢な方法の使用を増やすことで、広範囲の土地システムにわたる対照的な土壌管理オプションの主な影響に関する統一された知識体系を深め、調和させることに貢献できます。
著者には、開示すべき利益相反はありません。
著者らは、カナダイノベーション財団(John Evans Leadership Fund)が水力特性分析装置の取得に当たって提供した財政的支援に感謝します。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 4L ブフナーフラスコ (2個) | 各種 n/a | 水脱気用容器 | |
| 20mL シリンジ、細口 | BD-302830 | ||
| コーヒーフィルター | 各種 | /a | 浸漬時の土の芯外流出を防止 |
| HYPROP コンプリートセット | ホスキン | 110813/E240-M020210 | テンシオメーターシャフトオーガー、真空シリンジ用チューブ・補充アダプター、オーガーガイド、HYPROP USBアダプター、HYPROPセンサーユニット、テンシオメーターシャフト(50mm・25mm)、飽和プレート、補充アダプター、シリコンガスケット、Oリング一式、LABROSバランス、ソフト、ケーブル |
| HYPROPリフィルユニット | ホスキン | 108899/E240-M020258 | 真空ポンプ、バキュームマウント、ビーカーマウント、リフィルアダプター |
| 大型プラスチックタブ | 各種 | N/A | 飽和時に水と土壌のコアを保持します |
| メーターハンマーホルダー | ホスキン | 100255/E240-100201 | |
| ラバーマレット | ホームデポ | 18CT1031 | ハンマーホルダーと併用するサンプル収集ツール |
| ショベル | ホームデポ | 83200 | |
| 土壌サンプリングリング キャップ2個付き | ホスキン | 100254/E240-100101 | |
| 攪拌板/攪拌バー | Various | n/a | |
| こて | ホームデポ | 91365 |
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