研究者対象 水ポテンシャル完全ガイド#2
水ポテンシャル201を見る
Colin Campbell博士のウェビナー「Water Potential 201： 正しい測定器の選択」では、水ポテンシャル測定器の理論や水ポテンシャル測定の課題、様々な水ポテンシャル測定器の選択と使用方法などについて説明しています。
「Water Potential 201」
どの水ポテンシャル測定法が適しているのか？
水ポテンシャルの測定方法は、基本的にテンシオメータと蒸気圧法の2つしかありません。テンシオメータは、水の沸点を遅らせる特殊なテンシオメータで、0～約-0.2 MPaの湿潤領域で使用します。蒸気圧法は乾燥領域を測定し、その範囲は約-0.1 MPaから-300 MPa（0.1 MPaは99.93％RH、-300 MPaは11％）です。
従来はこの範囲が重なることはありませんでしたが、近年のテンシオメータや温度センサー技術の進歩により、この範囲が重なるようになりました。現在では、優れた方法と最高の機器を持つ熟練したユーザーであれば、実験室で水ポテンシャルの全範囲を測定することができます。
しかし、二次的な測定方法に目を向けるべき理由もあります。蒸気圧法は原位置では役に立ちませんし、テンシオメータの精度を保つためには、常に入念なメンテナンスが必要になります（ただし、テンシオメータの自己充填バージョンはあります）。
さらに、石膏ブロック、圧力板、ろ紙のような伝統的な方法もあり、理解しておく必要があります。ここでは、各方法の長所と限界について簡単に説明します。
圧力板
圧力板は、1930年代にL. A. Richardsによって発表されました。実際に試料の水ポテンシャルを測定するわけではありません。試料に圧力をかけ、余分な水を多孔質のセラミックプレートを通して流出させることで、試料を特定の水ポテンシャルに近づけるのです。試料が平衡状態になると、その水ポテンシャルは加えた圧力と同じということになります。
通常、圧力板は土壌水分特性曲線を作成するために使用されます。圧力がかかった土壌サンプルが特定の水ポテンシャルに達したら、研究者はプレートからサンプルを取り出して乾燥させ、その水分量を測定します。圧力板装置で異なる圧力でこの測定を行うことで、土壌水分特性を作成することができます。
圧力板は他の二次測定法の校正に用いられることが多いため、その精度は重要です。
圧力版には平衡の問題がある
圧力板で正確な水分放出曲線を作成するためには、指定された圧力で試料が完全に平衡状態になったことを確認する必要があります。Gee et. al (2002)、Cresswell et. al (2008)、Bittelli and Flury (2009)を含む複数の査読者が、この仮定に問題があることを指摘しています。
特に低水ポテンシャルでの誤差は、加圧板のセラミックに詰まった孔、試料内の流れの制限、土壌の収縮による加圧板と土壌の水理学的接触の喪失、加圧板の圧力を解放したときの水の再吸収によって引き起こされる可能性があります。低水ポテンシャルでは，透水係数が低いため，平衡状態になるまで数週間から数ヶ月を要することがあります。Gee et.al (2002)は、15気圧の加圧板上で9日間平衡させたサンプルの水ポテンシャルを測定したところ、予想される-1.5 MPaではなく、-0.5 MPaであることがわかりました。特に、透水係数を推定し、植物の利用可能水分を決定するために水分放出曲線を構築する場合、-0.1 MPa（-1bar）未満のポテンシャルで圧力板を測定すると、大きな誤差が生じることがあります（Bittelli and Flury、2009）。
さらに、Baker and Frydman (2009)は、土壌マトリックスが正圧下では吸引圧下と異なる排水を行うことを理論的に立証しました。彼らは、吸引圧によって得られる平衡水分量は、自然条件下で発生する水分量とは大きく異なると仮定しています。この考え方はさらなる検証が必要ですが、事例的な証拠が裏付けているようです。最終的には、湿潤領域（0～-0.5 MPa）では圧力板で十分な精度が得られる場合もありますが、他の方法でより高い精度が得られることもあり、データをモデル化や校正に使用する場合には特に重要です。
蒸気圧法
WP4C露点式湿度計は、現在この手法を使用する数少ない市販の機器の一つです。従来の熱電対式サイクロメーターと同様に、露点式湿度計は密閉されたチャンバー内で試料を平衡化します。
チャンバー内の小さな鏡を結露し始めるまで冷やします。露点式では、WP4Cは鏡と試料の温度を0.001℃の精度で測定し、試料上の蒸気の相対湿度を特定します。
利点
最新型の露点式湿度計は、-5～-300 MPaで±1％の精度を持ち、使い勝手も比較的良いです。多くの試料で5～10分程度で測定可能ですが、湿潤試料では時間がかかります。
制限事項
高水ポテンシャルでは、飽和蒸気圧と試料室内の蒸気圧の温度差が極端に小さくなります。
温度測定の分解能に限界があるため、蒸気圧法がテンシオメータに取って代わることはないでしょう。
露点式湿度計の測定範囲は-0.1～-300 MPaですが、特殊な技術を用いれば-0.1 MPaを超えて測定することも可能です。0～-0.1 MPaの範囲であれば、テンシオメータが最適です。
テンシオメータとWind/Schindler法
HYPROPは、Wind/Schindler蒸発法を用いて、テンシオメータの測定範囲内の水ポテンシャルを持つ土壌の水分放出曲線を作成するユニークな実験機器です。
HYPROPは、2本の精密なミニテンシオメータを使い、飽和した250 cm3の土壌サンプルを実験室の天秤の上に置き、その中のさまざまなレベルの水ポテンシャルを計測します。時間の経過とともにサンプルは乾燥し、測定器は変化する水ポテンシャルと変化するサンプル重量を同時に測定します。重量測定値から含水率を算出し、含水率の変化と相関する水ポテンシャルの変化をプロットします。
結果は検証され、選択したモデル（van Genuchten/Mualem、bimodal van Genuchten/Mualem、Brooks and Coreyなど）に従って乾燥領域と飽和度の値が算出されます。
利点
HYPROPは精度が高く、湿潤領域での完全な水分放出曲線を作成することができます。曲線が完成するまでに3～5日かかりますが、無人で動作します。
制限事項
HYPROPの測定範囲はテンシオメータの範囲によって制限されますが、ミニテンシオメータは沸騰遅延機能を備えているため、-250 kPa (-0.25 MPa)を超える測定に使用されてきました。
-250 kPa以下では、テンシオメータはキャビテーションを起こします。パワーユーザーには、セラミック製テンシオメータのカップの空気侵入点（-880 kPa; -0.88 MPa）の曲線に沿って最終点を追加するオプションがあります。
テンシオメータ
水ポテンシャルとは、試料中の水と、基準となる純水中の水との間の位置エネルギーの差を測定するものです。テンシオメータは、この定義を実現したものです。
テンシオメータのチューブには、（理論的には）純粋な自由水が溜まっています。この貯水部は（透過性のある膜を通して）土壌サンプルと接続されています。熱力学の第二法則により、水は膜の両側でエネルギーが等しくなるまで貯水部から土壌に移動します。その結果、チューブ内は真空になります。テンシオメータは、負圧計（真空計）を使ってその真空の強さを測定し、水のポテンシャルを圧力で表現します。
利点
テンシオメータは、おそらく最も古いタイプの水ポテンシャル測定器です（最初のコンセプトは少なくとも1908年のLivingstonまで遡ります）が、今でもかなり有用です。実際、湿潤域では、高品質のテンシオメータを上手に使えば、優れた精度を発揮することができます。
制限事項
テンシオメータの測定範囲は、貯水部内の水が真空に耐えられるかどうかで制限されます。水は基本的に非圧縮性ですが、水面の境界や塵などの不連続面を核にして、水の強い結合が破壊され、キャビテーション（低圧沸騰）が発生します。多くのテンシオメータは、植物が利用できる範囲のちょうど真ん中、-80 kPa付近でキャビテーションを起こします。
しかし、ドイツのMETER Group AGは、精密なドイツ工学と綿密な構造、そして細部へのこだわりによって、モダンクラシックなテンシオメータを製造しています。 このテンシオメータは、精度が非常に高く、測定範囲は（慎重に操作すれば）-250 kPaまで拡張できます。
二次的方法：水分特性を生かす
水分量は水ポテンシャルよりも測定しやすい傾向にありますが、2つの値は関連しているため、水分量の測定値を使用して水ポテンシャルを求めることが可能です。
特定の土壌マトリックスに水が吸着し、そこから脱離する際に、水ポテンシャルがどのように変化するかを示すグラフは、水分特性または水分放出曲線と呼ばれます。
水を保持することができるすべてのマトリックスは、指紋のように独自で特徴的な水分特性を持っています。土壌の場合、組成や質感のわずかな違いも、水分特性に大きな影響を及ぼします。
研究者の中には、特定の土壌の種類に応じた水分特性を開発し、その特性を使って水分量の測定値から水ポテンシャルを決定する人もいます。マトリックポテンシャルセンサーは、熱力学の第二法則を利用することで、よりシンプルなアプローチをとっています。
マトリックポテンシャルセンサー
マトリックポテンシャルセンサーは、水分特性が既知の多孔質材料を使用します。すべてのエネルギーシステムは平衡に向かう傾向があるため、多孔質材料は周囲の土壌と水位が平衡になります。
多孔質材料の水分特性を利用して多孔質材料の水分量を測定し、多孔質材料と周囲の土壌の両方の水ポテンシャルを特定することができます。マトリックスポテンシャルセンサーは、さまざまな多孔質材料といくつかの異なる方法で水分量を測定しています。
精度はカスタム校正に依存する
マトリックポテンシャルセンサーの精度は良好ですが、特に優れているわけではありません。最悪の場合、この方法では、土壌が湿っているか乾いているかを知ることができるだけです。センサーの精度は、多孔質材料用に開発された水分特性の品質と、使用する材料の均一性に依存します。精度を高めるには、使用する特定の材料を一次測定法で校正する必要があります。この方法の感度は、水ポテンシャルの変化に伴う水分量の変化の速さによって決まります。精度は、水分量測定の品質によって決まります。
また、精度は温度感度の影響を受けることがあります。この方法は等温条件に依存しますが、これは実現が難しい場合があります。センサーと土壌の温度差により、大きな誤差が生じることがあるのです。
限られた範囲
すべてのマトリックポテンシャルセンサーは透水係数の制限を受けます。土壌が乾燥すると、多孔質材料が平衡化するのに時間がかかるようになります。また、水分量の変化も小さくなり、測定が難しくなります。また、湿潤な土壌の場合は、使用する多孔質材料の空気混入の可能性によってセンサーの測定範囲が制限されます。
フィルターペーパー
ろ紙法は、1930年代に土壌科学者が当時の方法に代わる方法として開発したものです。多孔質媒体として特定の種類のろ紙（Whitman No.42 Ashless）が使用されます。試料はろ紙と平衡化されます。試料は、密閉された恒温槽の中でろ紙とともに平衡化されます。乾燥炉を用いてろ紙の重量水分量を測定し、ろ紙の所定の水分特性曲線から水ポテンシャルを推察します。Dekaら(1995)は、完全な平衡化には少なくとも6日間が必要であるとしました。
「Filter Paper Method」
範囲
ろ紙が完全に平衡化した状態での測定範囲は、一般に-100 MPaまでとされています。しかし、図に示すように、水ポテンシャルがゼロ付近では、温度勾配による誤差が非常に大きくなります。
この方法は安価で簡単ですが正確ではありません。また、等温条件が必要ですが、実現が難しい場合があります。わずかな温度変化で大きな誤差が生じることがあります。
市販のマトリックポテンシャルセンサー
石膏ブロック：安価でシンプル
石膏ブロックは、灌漑事象の簡単な指標としてよく使用されます。石膏ブロックは、周囲の土壌の変化に反応する石膏ブロックの電気抵抗値を測定します。電気抵抗値は水ポテンシャルに比例します。
利点
石膏ブロックは非常に安価で、使い勝手が良いです。
欠点
測定値は温度依存性があり、精度が非常に低いです。また、石膏は時間の経過とともに溶解し、特に塩分を含む土壌では校正の特性が失われます。石膏ブロックは湿潤か乾燥かを教えてくれますが、それ以上のことはできません。
粒状マトリックセンサー：簡単で安価だが、精度に限界がある
石膏ブロックと同様に、粒状マトリックセンサーは多孔質媒体中の電気抵抗を測定します。石膏の代わりに、合成膜と保護用ステンレスメッシュで囲まれた粒状石英を使用します。
利点
石膏ブロックに比べ、粒状マトリックセンサーは長持ちし、より湿った土壌条件でも機能します。温度変化の測定と補正を行うことで性能を向上させることができます。
欠点
測定値は温度依存性があり、精度が低いです。また、土壌とセンサーの接触が良好であっても、粒状マトリックスセンサーは非常に乾燥した条件下で平衡化された後、再湿潤の問題があります。湿潤状態での測定範囲はマトリックスの空気進入の可能性によって制限されます。粒状マトリックスセンサーは、マトリックス内の最も大きな孔が排水され始めたときにのみ、水分量/ポテンシャルの測定を開始できます。さらに、これらのセンサーは石膏ペレットを使用しており、時間の経過とともに溶解するため、長期安定性に欠けます。
セラミックセンサー
セラミックベースのセンサーは、多孔質媒体としてセラミックディスクを使用します。センサーの品質はセラミック特有の性質に依存します。
精度は、各ディスクがやや特有な水分特性を持っているという事実によって制限されます。セラミック材料が均一であれば精度は高くなりますが、測定範囲は大幅に制限されます。個々のセンサーのカスタム校正は精度を劇的に向上させますが、時間がかかります。最近の校正技術の革新により、より優れた市販の校正オプションが提供されるかもしれません。
セラミックの空気侵入の可能性により、範囲は湿潤域で制限されます。セラミックベースのセンサーは、セラミック内の最も大きな気孔が排出され始めたときにのみ水分量/ポテンシャルの測定を開始できます。 乾燥域では、低い水ポテンシャルで排出される小さな孔に含まれる総間隙率によって範囲が制限されます。
2つのタイプ：
放熱センサー
放熱センサーは、熱伝導率を測定することでセラミックの水分量を測定します。ヒーターと熱電対を内蔵したセラミックシリンダーを用い、ベースライン温度を測定し、数秒間加熱した後、温度変化を測定します。温度変化と対数時間をプロットすることでセラミックの水分量を決定します。水分量はセラミックディスクの水分特性を利用して水ポテンシャルに変換されます。センサーは加熱されるため、大きな電力貯蔵量を持つシステム（例：Campbell Scientificのデータロガーまたは同等品）から電力を供給する必要があることに留意してください。
精度
個別にカスタム校正を行わない限り、放熱センサーの精度は中程度です。
測定範囲
乾燥域では熱伝導率曲線に多くの感度があるため、放熱センサーは乾燥域（-1～-50 mPa）で広く使用できます。 湿潤域では放熱センサーはセラミックの空気侵入ポテンシャルによって制限されます。
誘電率マトリックポテンシャルセンサー
誘電率ポテンシャルセンサーは、セラミックディスクの電荷蓄積能力を測定し、ディスクの水分量を決定します。その後、ディスクの水分特性を利用して、水分量を水ポテンシャルに変換します。
誘電率を利用するため、水分のわずかな変化にも高い感度を示します。他のセラミックベースのセンサーと同様に、マトリックポテンシャルセンサーも精度を上げるためにカスタム校正が必要です。
利点
誘電率マトリックスポテンシャルセンサーは、低消費電力でメンテナンスフリーです。
欠点
校正を行わない場合、センサーの精度は測定値の±40%にとどまります。しかし、最近開発されたカスタム校正版では、測定値の±10%の精度が約束されています。
水ポテンシャルの測定方法に関するその他の資料
- Gee, Glendon W., Anderson L. Ward, Z. F. Zhang, Gaylon S. Campbell, and J. Mathison. "The influence of hydraulic nonequilibrium on pressure plate data". Vadose Zone Journal 1, no.1 (2002)： 172-178. 記事リンク
- Cresswell, H. P., T. W. Green, and N. J. McKenzie. "The adequacy of pressure plate apparatus for determining soil water retention". Soil Science Society of America Journal 72, no.1 (2008)： 41-49. 記事リンク
- Bittelli, Marco, and Markus Flury. "Errors in water retention curves determined with pressure plates." Soil Science Society of America Journal 73, no. 5 (2009): 1453-1460. 記事リンク
- Baker, Rafael, and Sam Frydman. "Unsaturated soil mechanics: Critical review of physical fundations." Engineering Geology 106, no.1 (2009)： 26-39. 記事リンク
- Deka, R. N., M. Wairiu, P. W. Mtakwa, C. E. Mullins, E. M. Veenendaal, and J. Townend. "Use and accuracy of the filter - paper technique for measurement of soil matric potential." European Journal of Soil Science 46, no.2 (1995)： 233-238. 記事リンク
水ポテンシャル 301を見る
Leo Riveraは、湿潤域にはテンシオメータデータ（HYPROP）を、乾燥域には露点データ（WP4C）を使い、実際に中間で一致する土壌水特性曲線を作成するのに必要なスキルを教えています。
これらの技術により、研究者は機器の仕様を超えることができるようになる可能性があります。ヒステリシスの影響や、湿潤域に移行する際に必要となる試料調製方法の変更など、これらの測定にまつわる問題点についてご紹介します。
「Water Potential 301- How to Push Your Instruments Past Their Specifications」
水ポテンシャルの作用
土壌水分放出曲線
土壌水分放出曲線（土壌水分特性曲線または土壌水分保持曲線とも呼ばれる）は、物理的な指紋のようなもので、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最終状態を理解し、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疑問に答えます：どの程度の水分量が土壌の永久しおれ点なのか。灌水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。土壌水分放出曲線は植物の水分摂取量、深部排水量、流出量などを予測するための強力なツールになります。
土壌水分放出曲線とは？
水ポテンシャルと体積含水率は関連性があり、その関連性はグラフで示すことができます。両方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。土壌の質感、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るので、これらの変数は観測地や土壌ごとに異なります。
図9は3種類の土壌曲線の例を示しています。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（または土壌吸引圧）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1では、永久しおれ点（右縦線）は土壌の種類によって異なる体積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、シルト質壌土はほぼ15%VWCで永久しおれが発生します。
水分放出曲線のデータを得るには？
土壌の水分放出曲線は、現場または実験室で作成することができます。現場では、土壌センサーを使って土壌水分量と土壌水ポテンシャルを測定します。
METER Groupのシンプルで信頼性の高い誘電率センサーとZL6データロガーを組み合わせて使用することにより、ほぼリアルタイムの土壌水分データを直接クラウド（ZENTRA クラウド）へ送信することができます。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 GroupのHYPROP 2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、体積含水率の示量変数と水ポテンシャルの示強変数を結びつけます。示量変数と示強変数を一緒にグラフ化することで、研究者や灌漑管理者は土壌水がどこへ移動するかなどの重要な問いに答えることができます。例えば、下の図10で、3つの土壌が体積含水率15％の異なる土質層であった場合、壌質細砂土の水は、より負の水ポテンシャルを持つ細砂壌土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することができます。そのためには、研究者や灌漑管理者が体積含水率（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教えてくれます。その仕組みは次のとおりです。
図11は壌質砂土、シルト質壌土、粘土質土の典型的な水分放出曲線です。-100 kPaにおいて、砂質土壌の水分量は10%以下です。しかし、シルト質壌土では約25％、粘土質土では40％近くになっています。圃場容水量は通常-10～-30 kPaです。そして永久しおれ点は-1500 kPa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、圃場容水量よりも湿った土壌の水は、土壌から流出してしまいます。研究者や灌漑管理者は、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12は、同じ水分放出曲線で、圃場容水量範囲は-10～-30 、灌漑作物に通常設定される下限値（グレー）、永久しおれ点（濃いグレー）を示しています。研究者／灌漑管理者はこれらの曲線を用いて、シルト質壌土の水ポテンシャルを-10～-50 kPa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、シルト質壌土の水分量を約32％（0.32 m3/m3）に保つ必要があることを灌漑管理者に伝えます。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します。
ZENTRAはすべてをシンプルに
水分放出曲線から情報が得られれば、METER GroupのZL6データロガーとZENTRA クラウドは、最適な水分レベルを維持するプロセスを簡素化します。水分量の上限と下限をZENTRA クラウドで設定すると、最適な水分範囲が水色の網掛けで土壌水分データに重ねて表示されるので、水のオンとオフのタイミングを簡単に知ることができるようになります。また、その限界値に近づいたり超えたりした場合には、自動的に警告を発することもできます。
実験室での水分放出曲線の作成はかつてないほど簡単に
15～20年前、実験室で完全で詳細な土壌水分放出曲線を得るには数ヶ月を要しました。なぜでしょうか。
水分放出曲線には常に2つの弱点がありました。0～-100 kPaのデータポイントが十分でないこと、そして-100 kPa～-1000 kPaの間に、どの機器も正確な測定ができない範囲があることです。0〜-100 kPaの間で、土壌は半分以上の水を失います。この部分の水分放出曲線のデータポイントを作るために圧力板を使用したため、曲線はわずか5つのデータポイントに基づいたものとなっていました。
そして、水分放出曲線のギャップです。最も低いテンシオメータの測定値は-0.085 MPaで切れてしまい、歴史的に最も高いWP4水ポテンシャルの範囲の-1 MPaにほとんど達していません。そのため、植物が利用できる範囲のちょうど真ん中あたりで曲線にギャップが生じてしまうのです。
2008年、ドイツのMETER Group AGは、0～-0.1 MPaの範囲で100点以上のデータを生成できるHYPROPを発売しました。これにより従来の20倍以上のデータポイントに基づく曲線の作成が可能になり、解像度の問題が解決されました。
2010年、METER Groupは再設計されたWP4C 水ポテンシャル測定装置をリリースしました。精度と範囲が大幅に向上したことで、WP4Cはテンシオメーターの範囲まで良好な測定が可能になりました。HYPROPと再設計されたWP4Cを使用することで、完全で高解像度の水分放出曲線を作成することができるようになりました。
水分放出曲線についてさらに学ぶ
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、土壌固有の表面積など、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。
異なる用途に対して土壌水分放出曲線をどのように利用できるかをお知りになりたいでしょうか。METER Groupの土壌科学者は、土壌・植物・大気の連続体を測定する研究者を何十年にもわたって支援してきた経験があります。また、土壌水分放出曲線をテーマにした動画『土壌水分201：水分放出曲線』もご覧ください。
水ポテンシャルの簡単な歴史
土壌中の不飽和水流を理解する
前世紀初頭、米国農務省土壌局（BOS）は、農業における複雑な問題に取り組むため、数名の物理学者を採用しました。その中の一人がEdgar Buckinghamです。Buckinghamは1902年に土壌局に来たとき、すでに熱力学のテキストを執筆していました。BOSでの最初の実験は、土壌中のガス輸送に関するものでしたが、最終的には土壌中の不飽和水流の問題を考えるようになり、ここに土壌物理学への最大の貢献がありました。
古典物理学者であるBuckinghamは、土壌中の水の流れにまつわる謎や無秩序を数学で検証しました。Buckinghamは不飽和土壌中の水の流れは水分量によらないことを理解し、その力を記述することに挑戦しました。彼は電気や熱の力場と、それらが生み出す磁束に慣れ親しんでいました。これらの概念は、彼が「毛管伝導率」と呼ぶ勾配によって土壌に生じる駆動力を容易に類推することができました。Buckinghamはオームの法則とフーリエの法則を使って、この流束を表現しました。
1902：Edgar Buckinghamが土壌局で働くようになる。熱力学に関する彼の経験は、土壌中の不飽和水流に関する理解の始まりとなった。
1930s：L.A. Richards、「毛管伝導率」を効果的に測定できる最初の機器の1つである圧力板を開発。
1940s：L.A. RichardsとJohn Monteithが、熱電対式サイクロメーターで土壌サンプルの水ポテンシャルを測定する方法を説明する論文を発表。
1951：D.C. Spannerが、熱電対を使った土壌の水ポテンシャル測定に初めて成功。
1983：METERが初めて商用熱電対式サイクロメーター（SC-10、後のTruPsi）を発表。
実験室での水ポテンシャルの測定
1907年にEdgar Buckinghamが「毛管伝導率」を説明し実証しましたが、それを効果的に測定するのはまだ先のことでした。それを実現したのが、1930年代にL.A. Richardsが作った圧力板です。圧力板は、試料の水ポテンシャルを測定するものではありません。その代わり、試料を特定の水ポテンシャルに近づけることができます。試料に圧力をかけて、多孔質のセラミック板に水を押し出します。試料が平衡状態になると、その水ポテンシャルは理論上、かけた圧力と同じになります。
土壌サンプルが加圧下で特定の水ポテンシャルに達すると、研究者は相関する水分量を測定することができます。異なる圧力でこれらの測定を行うことで、土壌の水分特性を作成することができます。
水蒸気法
圧力板の導入から10年以上後、アメリカのL.A. RichardsとイギリスのJohn Monteithは、熱電対式サイクロメーターを使って土壌サンプルの水ポテンシャルを測定する方法を説明した論文を発表しました。密閉したチャンバー内でサンプルを蒸気を平衡させ、その相対湿度を測定する方法です。平衡状態では、蒸気の相対湿度が試料の水ポテンシャルに直接関係します。
1818年にドイツの発明家Ernst Ferdinand August（1795-1870）によって作られたサイクロメーターという用語は、ギリシャ語で「冷たい測定器」を意味します。サイクロメーターは、2つの同じ温度計でできています。一方（乾球）は乾燥した状態に、他方（湿球）は飽和した状態に保ちます。湿球温度と乾球温度の温度差から、空気の相対湿度を算出することができます。
熱電対式サイクロメーター
土壌サンプルの相対湿度を測定するために使われた最初のサイクロメーターは、必然的に非常に小さなものでした。2つの温度計は、小さくて壊れやすい熱電対でできていました。熱電対とは、2本の異種導体を1カ所でつないだ温度センサーです。熱電対は温度勾配を電気に変換し、それを測定することで温度変化を知ることができます。
熱電対サイクロメーターは、1951年以前にD.C. Spannerによって初めて水ポテンシャルの測定に成功しましたが、その測定は困難なものでした。John Monteithによれば、ロザムステッド大学のドラフトには、長年にわたってこの実験の跡が残されていたといいます。
また、彼の測定を再現するのに苦労する人もいました。試料が平衡化するのに1週間もかかり、壊れやすい熱電対は、1回測定しただけで壊れてしまうことも少なくありませんでした。それでも1961年には、Richardsは水蒸気法が水ポテンシャル測定の未来であることをはっきりと認識しました（Richards and Ogata, 1961）。
Decagon（現METER）は、1983年に初の商用熱電対サイクロメーター（SC-10熱電対サイクロメーターサンプルチェンジャー、後のTruPsi）を発表しました。この装置は、繊細な熱電対を使用しながらも、密閉された筐体の中でそれを保護するものでした。9つのサンプルを同時に平衡化し、熱電対の下で回転させて測定しました。
各測定の前に、湿球式熱電対を水の入った小さな貯水槽に浸しました。熱電対の電気出力はナノボルト計に送られ、温度の変化がいつ止まるかをモニターする必要がありました。
露点式水ポテンシャル計
1990年代後半、Decagon（現METER Group）は、蒸気圧を利用した水ポテンシャルの測定方法を改良した「露点式水ポテンシャメータWP4C」の生産を開始しました。サイクロメーターと同様、チャンバー内に密閉されたサンプルの上部の蒸気圧を測定します。どちらも熱力学的な原理に基づく一次測定法です。
露点式ポテンシャル計はサイクロメーターとは異なり、チルドミラー式露点センサーを採用しています。チャンバー内の小さな鏡は、結露するまで冷やされます。露点式では、WP4Cは鏡と試料の温度を0.001℃の精度で測定し、試料上部の蒸気の相対湿度を決定します。サンプルの水ポテンシャルは、サンプル温度と露点温度の差に直線的に関係します。
露点式センサーにはいくつかの利点があります。それは、作業者が比較的不慣れな場合でも、より速く、正確な測定ができることです。また、チルドミラー式露点センサーは水を加える必要がないため、試料上部の蒸気の水分量を増加させることがありません。
この測定は校正ではなく、熱力学的な原理にしっかりと基づいて水ポテンシャルを決定する一次的な方法であるという利点があります。
最新型では1000分の1度の温度分解が可能で、-0.5 MPaの湿潤な試料を優れた精度で測定することができます。