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土壌水分センサーとその仕組み―なぜ研究用でないものが存在するのか

TDR、FDR、静電容量、抵抗法：一般的な土壌水分センシング方法の比較、その長所と短所、独自のアプリケーション

土壌水分センサーの測定方法はすべて同じではない

TDR、FDR、静電容量、抵抗：インターネットを検索すると、ダイヤル式で水分を表示するセンサーから、シンプルなマイクロプロセッサーで電子的にモニターするセンサーまで、土壌の水分を測定するための何千ものオプションがヒットする時代です。どのセンサーが最も信頼性が高く、堅牢で、正確で、公表可能なデータを提供するかを知りたい場合、市場に出回っているセンサーの数の多さは混乱を招き、フラストレーションが溜まります。

METER Groupの科学者は20年以上にわたり、土壌水分センサーの設置に何千時間も費やし、フィールド実験のデータを観察し、解釈し、発表してきました。その間に、質の高い土壌水分データを取得する方法について多くのことを学んできました。この記事では、その専門的知識を皆さんと共有します。以下では、一般的な土壌のセンシング方法の比較、各方法の科学的な測定理論、長所と短所、さまざまな種類のフィールド研究に適用できる技術について説明します。また、最新の土壌水分センシングが単なるセンサー以上のものである理由についてもご紹介します。

測定対象は何だろうか？

インターネットで土壌センサーを検索する際に難しいのは、「土壌水分センサー」という言葉があいまいだということです。土壌中の水分は、含水量（土壌中の水の量または割合）または水ポテンシャル（土壌中の水のエネルギー状態）の2つの異なるものを指す可能性があるからです。一方は示量変数で、もう一方は示強変数です。「土壌水分センサー」で検索すると、どちらのセンサーもヒットします。

含水量とは、土壌中の水分量を重量または体積で表したものです。以下の図1の左側は、体積による土壌水分量（体積含水率またはVWC）の計算方法を示しています。原位置での測定は、すべて体積ベースの測定です。

図1の右側は、VWCがどのようなものかを、土壌中の鉱物、水、空気の量（割合）で表したグラフです。もし、土壌水の割合を測定したいのであれば、「土壌水分量センサー」や「体積含水率センサー」など、より具体的な検索キーワードを使用してください。

含水量と水ポテンシャルは混同されることがある

水ポテンシャルは含水量とは異なります。水ポテンシャルは土壌中の水のエネルギー状態を意味し、一般に土壌粒子への表面付着力に依存します。

図2は、土壌粒子の周りにある水の境界層（青色）を示しています。この境界層は、土壌の水分が減少するにつれて薄くなります。このとき、残った水分子は土粒子表面により強く結合します。この結合により水の位置エネルギーが減少し、植物による利用や水の移動ができなくなります。植物の水利用や土壌水の移動を測定・予測する場合は、「水ポテンシャルセンサー」または「マトリックポテンシャルセンサー」という用語を使用します。

TDR、FDR、静電容量、抵抗法：比較

土壌水分量は、衛星を利用した技術により、圃場、集水域、大陸のスケールで測定することができます。また、ダウンウェリング宇宙中性子を用いて広範囲に渡って測定することも可能です。

これらの手法はいずれも非常に有用ですが、今回は、プロット、処理、または圃場内の1箇所で測定する現場での手法を比較します。これらには4つの基本的な方法があります。

1. 抵抗
2. 誘電率（TDR, FDR, Capacitance）
3. 熱伝導率
4. 熱化中性子

これらのセンシング手法のうち、圧倒的に多いのは抵抗と誘電率（TDRセンサー、FDRセンサー、キャパシタンスセンサー）であり、これらを中心に比較します。しかし、これらの手法やその他の手法については、以下のウェビナーで情報を得ることができます。「土壌水分201-水分の測定、方法、およびアプリケーション」

「誘電率測定装置：時間領域反射率測定装置」

土壌水分センシングの方法を選択する際には、用途を考慮することが重要です。例えば、ユタ州ラッシュバレーの研究施設では、降水量、げっ歯類、規定焼却を変化させた処理間で水の使用量を比較することが課題となっていました。降水量体制が変化した場合の在来種と外来種のバランスに対するこれらの処理の効果を示すには、適切な技術を選択することが重要でした。

なぜ抵抗センサーは研究レベルではないのか？

図4は、Google検索で見つかった2つの土壌水分センサーの例です。いずれも2つの電極に電圧差を設け、電極間に微小な電流を流し、抵抗値または電気伝導度の値を出力することで土壌水分率を測定しています。

水は非常に導電性が悪いので、一方の電極から他方の電極に電流を運ぶのは水中のイオンです。理論的には、土壌中の水分量が増えれば抵抗値が下がるというのは理にかなった考え方です。しかし実際には、この方法は前提に問題があります。理由は以下の通りです。

図5は、プラスとマイナスの板が帯電し、土の中でイオンが移動するときの様子を示したものです。抵抗法が機能するためには、土壌中のイオンの数が比較的一定であることが一つの重要な前提です。土中のイオンの数が一定でない場合や、違う土でセンサーを使用した場合、水の量が変わらなくても、間隙水に含まれるイオンの数が変わると電流の流れやすさが変わるため、精度が保てなくなるのです。

この考え方は、簡単な例で説明することができます。センサーを乾湿両用以上の用途に使用するためには、センサー出力（この場合は抵抗値またはその単純な逆数である電気伝導度）と体積含水率を関連付ける校正が必要です。

図6は、飽和抽出電気伝導度（飽和した土壌から抽出した水の電気伝導度）の簡単なモデルです。センサーの校正が1桁以上変化することがわかります。

抵抗センサーは安価で、水分量の変化に反応し、DIYプロジェクトに組み込むのも簡単ですが、実際の用途は家庭菜園や科学博覧会プロジェクトだけです。科学的な調査研究が目的の場合、抵抗方式では信頼性の高い体積含水率の測定は不可能です。

誘電率センサー（TDR, FDR, 静電容量）：より効果的なアプローチ

誘電率センサー（TDR、FDR、静電容量タイプ）は、土壌の電荷蓄積能力を測定するセンサーの総称です。この電荷蓄積型アプローチは、抵抗型アプローチよりもはるかに効果的であり、その理由は以下のとおりです。

図7の左下は抵抗センサーでのイオンの動きを、右下は誘電率センサー（TDR、FDR、静電容量）でのイオンの動きを示したものです。右下側の理想的な誘電率センサーの電気回路は、2つの電極の間で水分子を分極させるだけのものです。水分子はその場でごく短時間に整列するので、塩イオンの分極を起こさずに少量の電荷を蓄えることができます。この理想的な測定は、水分量の変化には敏感ですが、塩分量の変化には敏感ではありません。

図7のイオンの絵の上に、抵抗センサー（左）とコンデンサー（右）の電気回路図があります。誘電率測定の中には、中央の回路図のように測定に抵抗を組み込んでいるために塩分濃度の変化にやや敏感なものもあります。

TDRセンサー、FDRセンサー、静電容量センサー：なぜ有効なのか

では、なぜ誘電率（TDR、FDR、静電容量）が多孔質土壌マトリックス中の水分の測定に有効なのでしょうか？

土壌中の物質は、それぞれ固有の電荷を蓄える性質を持っており、これを誘電率と呼びます。誘電率とは、空気を1として他の物質をその値に関連付けるものです。土壌は、固体、液体、気体の混合物です。それぞれ誘電率が異なりますが、一般に水に比べて誘電率が低いです。したがって、誘電率センサーで土壌の電荷蓄積量を測定する場合、体積で大きく変化するのは水と空気だけなので、それを体積含水率に関連づけることができます。

図9は、同じスケールで、異なる土壌混合物の体積分率と誘電率の値を等しくしたもので、右端が純水です（ミネラルが存在しない土壌は存在しませんから、当然現実にはこのようなことは起こりません）。鉱物は土壌全体の体積の約50%を占めることが多いため、鉱物の土壌の実際の誘電率範囲は通常2～30となりますが、これはあくまで一般論であり、特定の土壌の状況下では変化することがあります。

言うまでもないことですが、土壌水分センサーの有用性としての重要な特性の1つは、体積含水率の正確な測定です。

図10は、土壌の誘電率と体積含水率の関係を示したグラフです。誘電率センサーも抵抗センサーと同様、体積含水率の予測には完全ではありません。しかし、このセンサーの場合、性能に与える影響はかなり小さいです。このグラフでは、X軸に誘電率、Y軸に体積含水率をとっていますが、土壌のかさ密度の違いが校正にどのように影響するかに注目してください。影響はありますが、比較的軽微です。かさ密度以外にも、土壌の種類、塩分、粘土の割合、センサーと土壌の接触なども精度に影響を与えます。しかし、利用可能な高品質のセンサーの多くはこれらの課題のほとんどを軽減する技術を開発しています。これらの問題は、完全に回避することは不可にしても最小限に抑えることは可能です。

誘電率センサーの性能レベルは同じではない

誘電率測定技術（TDRセンサー、FDRセンサー、静電容量センサー）は、すべてが同じように作られているわけではありません。測定周波数や回路設計によっては、抵抗センサーのような働きをするものもあります。溶存イオンの分極を避けながら水分子の分極をうまく行えるかどうかは、分極の速さ、つまり測定周波数に依存します。

誘電率センサーは、低い周波数では水と塩分を分極させ、土壌中の塩分に対して非常に敏感に反応します。しかし、測定周波数が高くなるにつれて（約50Mhz以上）、この影響は小さくなります。そのため、Amazonで販売されている5ドルの誘電率センサーのように、たとえkHz帯で動作するセンサーであっても、センサーの精度を低下させる多くの要因が回避できているわけではありません。また逆に、たとえ高い測定周波数で動作するセンサーであっても、成功を保証するものではありません。電気系統の適切な設計も重要な役割を果たすからです。

誘電率センサーにはいくつかの種類があり、冒頭のウェビナー（上記）では、それぞれの技術について詳しく説明しています。市場で最も一般的な研究用水分量センサーは、3つの一般的なカテゴリーに分類されます。

• 静電容量：静電容量センサーは、土壌をコンデンサー素子として使用し、土壌の電荷蓄積能力を利用して水分量を校正する。
• 時間領域反射法（TDR）：TDRセンサーは、電気エネルギーの反射波が伝送路に沿って移動する時間を測定する。この移動時間は、土壌の電荷蓄積量と体積含水率に関連している。興味深いことに、TDRの信号には（単一周波数だけでなく）さまざまな周波数が含まれており、土壌の塩分濃度による誤差を軽減することができる。
• 周波数領域センサー（FDR）：土壌をコンデンサーとして使用し、電気回路の最大共振周波数を測定し、共振周波数と水分量を関連付ける。

これらのカテゴリーには、いずれも性能の良いセンサーとそうでないセンサーが存在します。多くの研究により、以下のセンサーは水分量をよく測定することが分かっています。METER社（旧Decagon Devices社）のEC-5、10HS、5TE/TM（現在はTEROS 10/11/12）、Campbell Scientific社のCS655、TDR 200、SoilVue 10、Delta T社のTheta ProbeとSMシリーズ、Stevens社のHydra Probe、Acclima社のTrueTDRシリーズなどです。これらのセンサーはすべて、土壌の種類や電気伝導度によって、ユーザーによる校正が必要になる場合があります。

Vaz et al (2013)は、これらのセンサーのいくつかを比較した入念な研究を提供しており、より詳細なレビューに役立つと思われます。これらの研究は素晴らしい出発点ですが、独自のアプリケーションに対応する土壌水分センサーを選択する際には、さらに多くの要因を考慮する必要があります。これらの要素について、以下のセクションで掘り下げていきます。

次の2つのチャートは、最も一般的な土壌水分量センシング方法（TDRセンサー、FDRセンサー、静電容量センサー、抵抗センサー、COSMOS、中性子プローブ）とそれぞれの長所と短所を比較し、それぞれの方法がどのような状況で有用であるかを表しています。メーター社の土壌水分量センサーはすべて高周波容量センシング技術を使用し、設置が簡単で可能な限り高い精度を確保するための設置用工具を使用しています。各測定方法の詳細については、「土壌水分201：測定、方法、およびアプリケーション」をご覧ください。

*AcclimaとCampbell Scientificはオンボードの測定回路を持つTDRセンサー/プロファイルプローブを製造しています。これは、ほとんどのTDRシステムが直面する複雑さの課題を克服するものです。**測定周波数に依存し、周波数が高くなるほど感度は低下します。

*一部の低品質ブランドは、低精度・低性能を示します。TDR、静電容量センサーともに、精度を脅かす最大の要因は、設置不良による空隙の発生、次に土壌中の粘土活性（スメクタイト粘土など）、次に塩分であると言われています。

正確性はセンサーの問題だけではない

先ほどのラッシュバレーの調査地では、4つの処理を5回繰り返し、それぞれの処理で複数の深さにセンサーを設置しています。研究の目的は、降水量の変化により、齧歯類と規定焼却が在来種と外来種の多様性にどのような影響を与えるかを見ることでした。このプロジェクトで最も困難だったのは、効果的な設置を保証するセンサーの選択と、蓄積したデータを多くのプロジェクト関係者にいかに効率的に提供するかの2つでした。

2019年、METERはシンプルな導入に焦点を当て、精度向上のための最も一般的な障壁である、設置の不整合、センサー間の変動、センサーの検証の3点を排除した、フル機能の土壌水分量センシングシステムを発表しました。以下は、TEROS 12土壌水分量センサー（静電容量技術を用いた高周波誘電率センサー）を新しい掘削孔設置ツールで設置する様子を撮影したビデオです。

「TEROS センサー掘削孔設置キット」

※設定（歯車マーク）をクリックし、「字幕」→「英語」→「字幕」→「自動翻訳」で日本語を選択してご視聴ください。

この方法を用いると、土壌の2 m下の数カ所にセンサーを素早く設置することができます。このツールは、センサーを土壌に対して正確に垂直に挿入します。レバーの機械的な利点と、研ぎ澄まされた高品質のセンサー針により、硬い土壌でも毎回ほぼ完璧な設置が可能です。

IoTシステムで現代のセンシングを改善

設置だけでなく、信頼性の高いデータ収集と可視化も不可欠な検討事項です。IoT技術（ZENTRA Cloud）の導入は、現在、現代のセンシングをより効率的かつ効果的にする機会を提供しています。

例えば、METER社のZENTRAシステムは、センサー、ロガー、ソフトウェアからなる完全なIoTシステムで、簡単に導入でき、メンテナンスもほとんど必要なく、ほぼリアルタイムのデータを手元に置いて、より多くの情報を公開し、より少ない作業で済むようにするものです。下の動画は、ZENTRA Cloudソフトウェアで遠隔から問題をチェックしている様子です。

「ZENTRA Cloud」

以下は、典型的な研究者のワークフローです。赤色は、ZENTRAシステムによって不要な作業がなくなった、または簡略化されたことを示しています。

ZENTRA は、無駄なコストや労力を削減し、より多くの時間を研究に費やすことを可能にします。下の表のリンクをクリックすると、システムの各部分がどのように連携して研究プロセスを簡略化しているかがわかります。

「METER Group の ZENTRA Cloud」

※設定（歯車マーク）をクリックし、「字幕」→「英語」→「字幕」→「自動翻訳」で日本語を選択してご視聴ください。

適切なセンサーを選ぶことは意外と簡単です

世の中には、膨大な数の水分センサー（TDRセンサー、FDRセンサー、静電容量センサー、抵抗センサー）がありますが、測定ニーズに合ったセンサーを選ぶことは、見た目よりも簡単なことかもしれません。抵抗式センサーの場合、価格が安く、測定プロジェクトに簡単に組み込めるにもかかわらず、良い結果を得ることができません。塩分や肥料、土壌の種類によって土壌中の塩分濃度が変化すると、センサーの測定値が変化し、測定者のフラストレーションにつながることがよくあります。それに比較すると、誘電率センサー（TDR、FDR、静電容量）ははるかに良い選択ですが、すべての誘電率センサーが同じように作られていないため、検討には慎重を要します。土壌の誘電率や電荷蓄積容量の測定にはいくつかの異なるアプローチがありますが、研究によると性能の良し悪しは、静電容量、FDR、TDRなどの特定の測定技術よりも、適切な設置ならびに測定周波数や回路設計などの方が個々のセンサーの品質に密接に関連していることが示されています。一般的に、測定周波数が高いほど高品質なデータが得られますが、センサーのコストも高くなります。センサーの真の価値は、性能と価格のバランスを最適化することで生まれると言えるかもしれません。

資料

• Evaluation of Standard Calibration Functions for Eight Electromagnetic Soil Moisture Sensors (article link)
• A complex Dielectric Sensor for Measurement of Water Content and Salinity in Porous Media (article link)

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