水理特性分析装置を用いた簡易蒸発実験に基づく土壌水分ポテンシャルと導電率の測定

サマリー

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。

要約

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。

概要

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。

プロトコル

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。

1. サンプルコレクション
   1. 目的のサンプリング深度より数センチ上の上部を掘削して、不要な破片、特に緩い有機ゴミや土壌表面の地殻を取り除きます。
   2. 金属サンプリングコアレベルを露出した土壌の表面に置き、鋭いエッジ側を土壌表面に向けています。次に、ハンマーホルダーをリングの上に置きます。
   3. 金属サンプリングコアの上部が土壌表面と揃うまで、ゴム槌を使用してハンマーホルダーの上部を繰り返し叩きます。
   4. 金属サンプリングコアの周りを掘ります。次に、コアの下を掘って土から取り除きます。
   5. 金属サンプリングコアを土壌から取り除いたら、こてまたはナイフで金属サンプリングコアの両側を平らにします。次に、コアの両側にプラスチックカバーを取り付けます。
   6. 金属コアにサンプルラベルを追加します。
2. サンプルの保存と使用
   1. サンプルは、分析前に約4 ^°Cの冷蔵庫に保管してください。
   2. 分析の少なくとも24時間前に、脱気脱イオン水を入れた大きなプラスチック容器にサンプルコアを入れてサンプルを飽和させます。まず、金属サンプリングコアの平らな端側にあるプラスチックカバーを取り外し、その上にペーパーコーヒーフィルターを置き、続いて飽和プレートを置きます。次に、コアと飽和プレートを容器に反転させ、土壌サンプルの上部から1cm以内に脱気脱イオン水を入れます。土壌が飽和状態に達するまで、必要に応じて脱気した脱イオン水を容器に補充します。
      注意: 飽和は、土壌の露出した表面に水が見えるときに発生します。

2. センサーユニットとテンシオメーターの確立

1. テンシオメーターの準備
   1. テンシオメーターを脱気脱イオン水に24時間浸します:分析キャンペーンで使用するセンサーユニットごとに、背の高い(長さ50 mm)のテンシオメーターと短い(25 mm)テンシオメーターを1つずつ取り付けます。
   2. テンシオメーターを保持している容器を密封して、水への大気拡散を制限します。
2. 真空ポンプ方式によるセンサユニットの脱気
   注意: キャンペーンで使用するセンサーユニットごとに、次の手順を実行します。
   1. 20 mLシリンジと細い針を使用して、両方のテンシオメーターシャフトポートに脱気脱イオン水を入れます。ポートに光を当て、破片があるかどうかを評価して、圧力トランスデューサーが汚れていないことを確認します。
   2. アクリルトップをセンサーユニットに置き、金属製のクリップを固定します。脱気した脱イオン水を入れたシリンジをアクリルトップの開口部に挿入し、アクリルヘッドの上部のすぐ下まで満たします。
   3. 脱気ユニットの「T」チューブをアクリルヘッドの上部に挿入して、アクリルトップを脱気ユニットに取り付けます。
      注:アクリルトップ付きの2つのセンサーユニットを各脱気ユニットに取り付けることができます。
3. テンシオメーターの補充
   1. ステージに取り付けられたカップを脱気ユニットの両方の利用可能な位置に置き、カップの3/4を脱気した脱イオン水で満たします。
   2. テンシオメーターをネジ式アクリルホルダーにねじ込みます。次に、黒いOリングをアクリルホルダーの上部に合わせます。ステージに取り付けられたカップ内に保持されている脱気された脱イオン水に入れます。
4. 真空脱気開始
   1. 漏れを防ぐために、すべての接続がしっかりと取り付けられていることを確認してください。
   2. -0.4バールに達するまで真空ポンプをオンにします。次に、真空ポンプをオフにして、システムを均等化させます。-0.8バールに達するまで、真空ポンプを再度オンにします。
   3. センサーユニットアセンブリの底を厚手のタオルで軽くたたいて、センサーユニットの張力計ポートから気泡を取り除きます。
   4. システムを少なくとも24時間真空下に保ちます。バキュームをオフにし、圧力がかかったままになっていることを確認して、漏れがないか確認します。システムが均等化するにつれて真空ポンプはゆっくりと圧力を失うため、真空ポンプを定期的にオンにして圧力を下げます。
   5. 24時間後、アクリルトップからチューブを取り外し、アクリルホルダーからすべての張力計を取り外します。背の低いテンシオメーターと背の高いテンシオメーターを、脱気した脱イオン水の別々のビーカーに入れます。

3. キャンペーンの開始

1. センサーユニットの準備
   1. センサーユニットアセンブリをシステム接続コードに差し込みます。
   2. 接続したセンサーユニットの下にタオルなどの吸収材を置き、金属製のクリップを外してアクリルトップを取り外します。
   3. マルチセンサーセットアップの場合は、各センサーユニットアセンブリについて手順3.1.1と3.1.2を繰り返し、シングルセンサーセットアップの場合は3.A.ivに進みます。
   4. データ測定ソフトウェアをクリックしてプログラムを開き、[ デバイスの表示 ]アイコンをクリックします。
   5. 接続されているすべてのセンサーユニットがソフトウェアのサイドバーに表示されていることを確認します。
2. テンシオメーターの設置
   1. ソフトウェアの上部にある[ 補充ウィザード ]アイコンをクリックして、ユーザーインターフェイスを開きます。ドロップダウンメニューから、適切なセンサーユニットに移動します。
      注:トランスデューサーは、初期読み取り値が0 hPa(± 5 hPa)の場合、正常に機能しています。
   2. ビーカーからテンシオメーターを選択します。シャフトに目に見える気泡がないこと、およびテンシオメーターシャフトの上部に凸状の半月板に水が形成されていることを確認してください。凸状のメニスカスがない場合は、張力計の上部にシリンジを使用して脱気した脱イオン水をさらに追加します。
   3. テンシオメーターの黒いOリングをスレッドの中央に移動します。
   4. テンシオメーターをセンサーユニット上に存在する溜まった水に反転させ、凸状のメニスカスを無傷に保ちます。
   5. 短いテンシオメーターを、短い線で示されているテンシオメーターポートに取り付けます。背の高いテンシオメーターを、長い線で示されているテンシオメーターポートに取り付けます。
   6. [現在の読み取り値]タブの圧力読み取り値を監視しながら、張力計を張力計ポートに慎重にねじ込みます。テンシオメーターを半回転から完全に回転させることにより、タイトシールを取得します。
      注意: テンシオメーターポートに取り付けた後、テンシオメーターの読み取り値が0 hPa(± 5 hPa)であることを確認してください。
   7. 他のテンシオメーターが設置されている間、テンシオメーターの上部に脱気脱イオン水で満たされたシリコンバルブを置き、先端の乾燥を防ぎます。
   8. キャンペーンで使用する各テンシオメーターとセンサーユニットについて、手順3.2.1から3.2.7を繰り返します。
3. センサーユニットへのサンプル配置
   1. 飽和サンプルと対応する飽和プレートを脱気脱イオン水の容器から取り出し、作業面に置きます。
   2. オーガーガイドを上に置きますampリング。
   3. テンシオメーターシャフトオーガーをオーガーガイドの穴に挿入し、テンシオメーターシャフトオーガーを完全に回転させて汚れを取り除きます。2 番目の穴についても繰り返します。
      注意: 各穴が土壌サンプルに与える深さは、張力計の高さに対応しているため、追跡してください。
   4. オーガーガイドを取り外し、土壌サンプルが穴の中で崩壊していないことを確認します。
   5. 各テンシオメーターのシリコンバルブを取り外し、シリコンディスクをセンサーユニットの上に置きます。
      メモ: シリコンディスクの下に空気が溜まっていないこと、および温度センサーが覆われていないことを確認してください。
   6. サンプルコアの穴をセンサーユニットの対応する張力計の高さに合わせます。
   7. サンプルコアを反転させてセンサーユニットの上に置き、サンプルをテンシオメーターに取り付けます。
   8. コーヒーフィルターと飽和プレートを取り外します。センサーユニットの側面にある金属製の留め金でソイルコアを固定します。
   9. 各サンプルについて、手順3.3.1から3.3.8を繰り返します。
4. システムキャンペーンの開始
   1. 各センサーユニットをセットアップしたら、各センサーユニットのシリアル番号に対応するため、金属コアに存在するサンプルIDを入力します。フィールドキャンペーンの一意の名前を入力します。「 参照 」をクリックして、ファイルの場所を保存します。
   2. [開始] をクリックします。
   3. 2つのテンシオメーターの読み取りが完了した後、最初の重量読み取りを行います。まず、センサーユニットから接続コードを抜き、ソフトウェアにダイアログボックスが表示されるのを待って、ウェイトスケールに置きます。ソフトウェアが重量の読み取り値を示したら、センサーユニットを取り外し、接続コードに接続し直します。すべてのセンサーユニットについて繰り返します。
   4. 測定の最初の2日間は1日3回サンプルを計量し、その後、キャンペーンの残りの期間は1日2回定期的にサンプルを計量します

4. システムキャンペーンの終了

1. ソフトウェアの終了
   1. サンプルが空気入口に到達したら、各センサーユニットの最終的な重量測定を行います。
   2. [停止]をクリックして、各センサーユニットから接続コードを外します。
2. キャンペーンの分解
   1. サンプルコアをセンサーユニットから取り外します。すべての土壌材料を容器に入れ、土壌サンプルをオーブンで乾燥させます。
      注意: きめの細かい土壌で作業する場合は、各土壌を濡らしてくださいampセンサーユニットから取り外す前に、1時間以内にampル。
   2. シリコンディスクを取り外し、必要に応じてセンサーユニットの上部を濡れたタオルで清掃します。
   3. 各テンシオメーターをスロットから慎重に取り外します。テンシオメーターの先端は、柔らかい毛の歯ブラシと汚れている場合は水で拭いてください。
   4. センサーユニットを反転させ、安全洗浄ボトルから水を噴霧して、センサーユニットの表面を清掃します。
   5. センサーユニットを反転させ、シリンジで水を噴射して、テンシオメーターのシャフトポートを清掃します。

5. データ分析

1. 各サンプルの乾燥土壌重量と対応する金属コアを取得します。
2. データ解析ソフトウェアをクリックしてプログラムを開き、サンプルをクリックしてソフトウェアでデータを開きます file.[情報]タブの[パラメータ]セクションに金属コアの重量を入力します。
3. 「測定」タブをクリックします |エアエントリーポイントを検索します。キャビテーションのポイントを微調整するには、テンシオメータのデータ範囲内の開始点と停止点の点線を移動します。ソフトウェアで指定する必要がある場合は、エアエントリーポイントについても同じことを行います。
4. [評価]タブをクリックし、[水含有量の計算]で、[乾燥土壌重量から(g)]が選択されていることを確認します。乾燥させた土の重量を入力します。
5. [フィッティング]タブをクリックします | データに最も適したモデルを適用します。
6. [ エクスポート ]タブをクリックし、ファイルパスを選択して、ファイルが.xlxs形式でエクスポートされていることを確認します。
7. 土壌サンプルごとに手順5.1から5.7を繰り返します。

結果

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...}

ディスカッション

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...

材料

この記事で使用された材料の一覧

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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