土壌の電気伝導度：測定のための完全ガイド
食糧供給の40%を灌漑地が占め、その約5分の1の面積の収穫量に塩類が影響を及ぼしているのをご存じでしょうか？
塩類の管理：なぜ注意しなければならないのか？
灌漑時に使用する水の塩類管理を誤ったために生産量が極端に減少するケースが散見されます。また、不適切な灌漑は水コストと灌漑に使用するエネルギーを増加させます。土壌の塩類バランスを理解し、溶出率、つまり根域の塩類濃度を許容範囲に保つために必要な灌漑水量を知ることは、灌漑管理を成功させるために重要です。しかし、土壌の塩類濃度のモニタリングについては、あまり理解されていないことが多いようです。
安定した高収量のためにECを測定する
以下のオンラインセミナーでは、世界的に有名な土壌物理学者であるGaylon Campbell博士が、土壌の電気伝導度（EC）測定の基礎と、測定のためのツールの使い方を教えています。このツールは、ほとんどの人が意識していないものの作物の収量と利益を維持するためには絶対不可欠なものです。
- 灌漑農業における塩類の発生源
- 塩類が植物に影響を与える仕組みと理由
- 土壌中の塩類はどのように測定されるか
- 一般的な測定方法と土壌中の塩類量との関係
- 塩類は様々な植物種にどのような影響を与えるか
- 与えられた水質に対してどれだけの水を加えればよいかを知るために必要な計算方法
なぜECを測定するのか？
灌漑用地は食糧供給の40%を占めており、塩類はその約5分の1の面積の収量に影響を与えます。すべての灌漑用水には、少なくともいくらか塩類が含まれています。塩類が作物の根の周りに蓄積されると、植物を傷つけ、収穫量を減らし、さらには土壌構造を変化させ、土地そのものに長期的なダメージを与えることになります。灌漑用地の生産性を維持するためには、塩類の管理方法を理解することが重要です。
塩類管理の手順は以下の通りです。
- 土壌中の塩類濃度を測定する
- 灌漑による塩類加算量を把握する
- 灌漑中も継続的に監視し、塩類を管理する
この測定には、電気伝導度（EC）が重要です。純水は電気を通しませんが、ほとんどの水、たとえ水道水であっても、電気を通すのに十分な塩類が溶けています。水中の塩類濃度は伝導度に直接影響するため、電気伝導度の測定は土壌水中の塩類濃度を測定する上で非常に有効な方法です。
塩と植物：何が問題なのか？
多くの人は、おそらく気づかずに肥料をやりすぎて、草などの植物を枯らしてしまった経験があるのではないでしょうか。よく、肥料が植物を「焼いた」と言われますが、一般に、ダメージを与えるのは肥料に含まれる栄養分そのものではありません。肥料が水に及ぼす影響のためであることが多いのです。植物は水を取り込みますが、塩類はあまり取り込みません。ところが、施肥や灌漑によって土壌に塩類が加わると、塩類が濃縮されます。塩類は植物にとってさまざまな問題を引き起こします。例えば、たとえ植物が吸い上げる水分量が少なくても、Na+はその植物にとって有毒な濃度に達することがあります。また、塩類は水を引き寄せるため、植物が土壌から水を取り込みにくくなります。さらに、植物によって土壌中の塩類に対して敏感なものとそうでないものがあります。例えば、豆類は土壌飽和抽出ECが2 dS/mを超えると収量に影響が出ますが、大麦は土壌飽和抽出ECが16 dS/mまでなら収量を落とさずに栽培することが可能です。しかし最終的には、高い塩類濃度はすべての植物に影響を与えます。
| 敏感 | 適度な耐性 | 高い耐性 |
|---|---|---|
| レッド・クローバー | 小麦 | ナツメヤシ |
| エンドウ豆 | トマト | 大麦 |
| 豆 | トウモロコシ | てんさい |
| 西洋なし | アルファルファ | 綿 |
| オレンジ | じゃがいも | ほうれん草 |
ECの共通単位
電気伝導度のSI単位はジーメンなので、電気伝導度の単位はS/mです。古い文献ではmho/cm（mhoはohmの逆数）という単位が使われています。土壌のECは一般的にmmho/cmで報告されていました。1mmho/cmは1 mS/cmに相当しますが、SIでは分母に小数を使用しないため、mmho/cmやmS/cmと数値的に等しいdS/m（デシジーメン・パー・メートル）に変更されました。
- 電気抵抗 - オーム
- コンダクタンス - 1/ohm
- mho - 現在はジーメンス
- 旧単位 - mmho/cm
- 現在の単位 - mS/cmまたはdS/m
| USDA分類 | 飽和抽出(dS/m) | 土壌中の塩類 | 浸透圧ポテンシャル | 作物の耐塩性 | 作物の例 |
|---|---|---|---|---|---|
| A | 0～2 | 0～0.13 | 0～－70 | 敏感 | 豆 |
| B | 2～4 | 0.13～0.26 | －70～－140 | 適度に敏感 | とうもろこし |
| C | 4～8 | 0.26～0.51 | －140～－280 | 適度に敏感 | 小麦 |
| D | 8～16 | 0.51～1.02 | －280～－560 | 耐性 | 大麦 |
複数あるEC測定方法
土壌中のECを測定する方法には、間隙水EC、バルクEC、飽和抽出ECの3つがあります。この3つはすべて関連していますが、一方を他方に変換するツールもあります。測定データを理解するためには、どのECが測定されているかを知ることが重要です。
間隙水EC：多くの研究者が測定していると思い込んでいるもの
間隙水ECまたは土壌水EC（σw）は、土壌の間隙水の電気伝導度です。研究者はしばしば土壌ECセンサーから出力される値を間隙水ECであると勘違いしています。間隙水の電気伝導度をその場で簡単に測定することができれば理想的です。しかし、その方法を想像してみてください。小さなセンサーを水で満たされた微細な孔に挿入しなければなりません。もちろん、そのようなスケールで水のECを測定することは不可能です。実際、間隙水のECを測定するには、土壌水を採取してそのECを測定するしかありません。
バルクEC
バルクEC（σb）は、バルク土壌（土壌、水、空気）の電気伝導度です。土壌中に設置された土壌水分センサーは、すべてバルクECを測定します。測定されたバルクEC値から間隙水ECおよび飽和抽出EC（σe）を求めるには、経験式または理論式を使用することができます。バルクECは、原位置で連続的に監視できる唯一のEC測定値です。
飽和抽出EC：伝統的な方法
飽和抽出EC（σe）は、土壌中にどれだけの塩分が含まれているかを正確に示し、土壌塩分濃度に換算することができます。これは、伝統的なECの測定方法です。土壌サンプルを採取し、土壌と脱イオン水の飽和ペーストを作り、その水を抽出し、抽出液のECを測定することで測定します。文献に記載されているEC値は、ほとんどの場合、飽和抽出EC値です。
バルクECから間隙水ECへの変換
前述のように、原位置に設置されたセンサーはセンサー周辺のバルク土壌の電気伝導度（σb）を測定します。σbと間隙水の導電率（σw）の関係を明らかにするために、かなりの数の研究が行われてきました。Hilhorst（2000）は、土壌のバルク誘電率（εb）とσwの間の線形関係を利用し、εbが既知であればσbからσwへの変換を可能にしています。TEROS-12は、同じ土壌の体積でεbとσbをほぼ同時に測定します。TEROS-12はこの方法に適しています。間隙水の伝導度は、以下の式で求めることができます（導出はHilhorst, 2000を参照）。
ここで、σwは間隙水の電気伝導度（dS/m）、εwは土壌間隙水の誘電率の実部（単位なし）、σbはセンサーで直接測定したバルク電気伝導度（dS/m）、εbはバルク土壌の誘電率の実部（単位なし）、εσb＝0は、σb＝0の時の誘電率の実部です（単位なし）。εw（式2）の値は80程度です。より正確な値は、地温から次の式で計算できます。
ここでTsoilは、METER土壌ECセンサーにより一般的なバルクEC測定と連動した温度センサーで測定された土壌温度（℃）です。
また、εbはほとんどの研究用体積含水率センサーで測定されます。
最後に、εσb=0 は、EC=0 のときの土壌の誘電率を緩やかに表す補正項です。Hilhorst（2000）は、一般的な補正として εσb=0=4.1 を使用することを推奨しています。Hilhorst (2000)は，個々の土質に対してεσb=0を決定するための簡便な方法を提供していて，これにより，ほとんどの場合においてσwの計算精度を向上させることができると考えられます。
我々のテストでは、上記のσwの計算方法は、高含水率（25%以上）の土壌や他の生育培地において、かなりの精度（±20%）をもたらすことが示されています。含水率が下がると、式1の分母が小さくなり、計算で大きな誤差が生じる可能性があります。最良の結果を得るためには、含水率が高いときに Hilhorst 式を使用して飽和抽出 EC（σe）を求め、含水率が低いとき（25%以下）には、水が除去されても塩が土壌に留まると仮定して間隙水 EC を計算することを推奨します（式 3 に示すとおり）。この仮定を用いると、
ここで、θは土壌の体積含水率、θsは飽和体積含水率で、土壌のかさ密度から計算することができます。
ρbは土のかさ密度（Mg/m3）、ρsは土粒子の密度（鉱物質土の場合2.65 Mg/m3）です。
間隙水ECから飽和抽出ECへの変換
飽和抽出液のEC（しばしばECeまたはσeと示される）は、土壌の飽和ペーストから除去した間隙水の電気伝導度です。土壌を蒸留水で飽和するまで濡らします。次に、真空漏斗に入れたろ紙の上に土壌を置き、吸引を行います。試料から取り出した水の電気伝導度を測定すると、σeが得られます。土壌のσeは，ほとんどすべての塩類推奨値（例えば，Richards, 1954参照）に使用される数値であり，したがって，把握すべき重要な数値です。これは、間隙水ECから以下の式で計算することができます。
式1と式4を組み合わせると
式6は、現場で塩類濃度を評価する際に最も有用な式と思われます。ここでも、精度を高めるために、体積含水率が最も高いときに使用します。
例として、土壌のかさ密度を1.33 Mg/m3と仮定します。式4から、飽和含水率は1 - 1.33/2.65 = 0.5となります。体積含水率0.345 m3/m3、誘電率（εb）=20のとき、バルクECが0.3 dS/mと測定されたと仮定します。σeは次のようになります。
バルクECから間隙水ECを計算する
バルクECから間隙水ECを計算することは、ある単位から別の単位への変換と同じではありません。というより、さまざまな種類のモデルがあります。経験的なものもあれば、理論的なものもありますが、どれも長所と短所を持っています。今回はHilhorstモデルを紹介しましたが、他にもRhodesモデルやMualem and Friedmanモデルなど、よく知られたモデルがあります。
| 飽和抽出EC | 土壌バルクEC | 間隙水EC | |
|---|---|---|---|
| 定義 | 飽和土壌試料から抽出された水溶液の電気伝導度 | 多孔質な土壌基質中の土壌、空気、水の電気伝導度の合計値 | 土壌の細間隙に含まれる溶液の電気伝導度 |
| 応用例 | 塩類管理のためのフィールド農業への応用。 | いつでも連続測定が必要。間隙水や飽和抽出液のEC算出に使用。 | 温室および苗床への適用。浸出割合の計算。 |
| 利点 |
土壌中の塩類量（土壌塩類濃度）を定量的に測定する。 特定の土壌に対する作物の適性を判断するための最適な手段。 |
現地での測定プローブによる連続測定が可能。 飽和抽出ECまたは間隙水ECをモデル化するために、 体積含水率と合わせて値を使用することができる。 |
植物が実際に体験していることを測定。 排水によってどれだけの塩類が運ばれているかを数値化。 |
|
パラメータの測定方法 *すべての方法は温度補正された EC値を前提としています（すべての METER Group のセンサーはこの補正 を含んでいます：ユーザーマニュアル を参照） |
畑から採取した土壌を脱イオン水と飽和状態になるまで混ぜ合わせる。 その後、フィルターを通して水を抽出し、ECメーターで水のECと温度を測定する。 バルクECと体積含水率の測定値から算出。 |
電気伝導度については、センサーを目的の深さの土壌に設置する。 |
土壌間隙水サンプラーは、特定の深さの土壌から間隙水を採取するために使用される。 その水のECを測定するためにECメーターを使用する。 バルクECと体積含水率の測定値から算出。 土壌間隙水を採取して観測するドレンゲージライシメータセンサーのECから求めた値。 |
応用例1：塩類の蓄積を最小限に抑える
土壌中のECを測定する最も一般的な理由の1つは、活発に生育している植物の根域の塩類を最小限に抑えることです。根域のECが高くなりすぎた場合、栽培者は灌漑用水を追加して塩類を根域の下に浸出させることができます。下図は、飽和抽出ECの値を相対的に比較したもので、色が薄いほどECが低く、色が濃いほどECが高いことを示しています。
応用例2：浸出率の計算
浸出率（LF）は、根域の底から排水される水の深さ（Ddrain） を、（灌漑や降水によって）土壌プロフィールに適用される水の深さ （Dapplied）で割ったものと定義されます。
根域で特定の電気伝導度を維持するためにどれだけの水が土壌プロフィールを通過する必要があるかを計算するには、浸出率を使用します。
たとえば、液体灌漑用水のECが0.3 dS/mで、根域を越えて排水される水のECが3 dS/m以下であれば、灌漑業者は散水量の10分の1を一帯に流すべきです。
ただし、これは排水量（根域の底からどれくらい水が排出されているか）が正確に測定されていることが前提です。実際には、これを測定するのは非常に困難です。そこで、浸出率の式を逆転させ、排水のECを利用して深部排水量を計算するという画期的な方法があります。排水のECは、根域の下にプローブを設置することで測定できます。
式を並べ替えると、排水深度は、散水深度に散水（降水と灌漑）のECを乗じ、排水のECで割ったものに等しくなります。
ほとんどの地域では、塩類を含まない雨が全体の塩類バランスに大きな役割を果たすことになります。灌漑用水のECに灌漑深さを乗じ、雨の深さと灌漑深さで割ることで、雨の影響を考慮した灌漑用水のEC（ECapplied）を調整するのが良い方法です。
バルクEC測定値を用いた浸出率の計算例
浸出率は0.4/4で10%です。排水によって失われた水の総量は2.5 cmです。
応用例3：根域の養分を追う
図2は、施肥直後の3点の深さでの体積含水率の経時変化です。しかし、肥料はどこにあるのでしょうか？体積含水率からは、養分の溶出や排水を知ることはできません。
図3では、GS3によるバルクECと体積含水率の測定値を用いて、同じ3点の深さの間隙水ECを計算しています。肥料は一時的に根圏に留まりますが、根圏から排水される水によって侵出されることに注目してください。いずれのグラフもStirzaker（2010）より引用しました。
ECのためのデータ収集
以下のセンサーを使用すると、特定のECモデルやアプリケーションのデータを収集することができます。
5TE、GS3、TEROS 12
これらの土壌水分センサーは、以下の測定に使用することができます。
- 土壌排水のバルクEC（σb）-根域より下に設置した土壌水分/温度/ECセンサー
- 土壌または無土壌基盤のバルクEC（σb）-根域に設置した土壌水分/温度/ECセンサー
- 土壌水分-体積水分率(θ)または誘電率(εb)
- 土壌温度-温度値は土壌EC測定値(Tsoil)と連動している
G3ドレインゲージとCTD＋DG（EC/温度/深度センサー）
G3およびHYDROS 21 + DGは、根圏下に設置することで土壌排水の間隙水EC（σw、ECdrain）を測定することが可能です。また、間隙水サンプラーを使用して、間隙水EC（σw）を測定することも可能です。
温度・ECセンサーES-2
ES-2は、灌漑用パイプにインラインで設置することにより、灌漑水のEC（σw、ECirrig）を測定することができます（この場合、カスタムキャリブレーションが必要です）。
雨量計
雨量計は、雨の深さ（Drain）を測定することができます。
Badger流量計
灌漑面積がわかっていれば、灌漑深度（Dirrig）の測定に使用できます。
参考文献
Hamed, Yasser, Magnus Persson, and Ronny Berndtsson. “Soil solution electrical conductivity measurements using different dielectric techniques.” Soil Science Society of America Journal 67, no. 4 (2003): 1071-1078. (Article link)
Hilhorst, Max A. “A pore water conductivity sensor.” Soil Science Society of America Journal 64, no. 6 (2000): 1922-1925. (Article link)
Mualem, Y., and S. P. Friedman. “Theoretical prediction of electrical conductivity in saturated and unsaturated soil.” Water Resources Research 27, no. 10 (1991): 2771-2777. (Article link)
Rhoades, J. D., P. A. C. Raats and R. J. Prather. “Effects of liquid-phase electrical conductivity, water content and surface conductivity on bulk soil electrical conductivity.” Soil Science Society of America Journal 40 (1976): 651-655.
Rhoades, J. D., N. A. Manteghi, P. J. Shouse, and W. J. Alves. “Soil electrical conductivity and soil salinity: New formulations and calibrations.” Soil Science Society of America Journal 53, no. 2 (1989): 433-439. (Article link)