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改善された低コスト土壌水分センサーのキャリブレーションと評価
A Applic cation Note 改善され れた低コ コスト⼟ ⼟壌⽔分セ センサー ーのキャリブレー ーション ンと評価 Calibrattion and Evaluatio on of an Improve ed Low-Cost Soil M Moisture Sensor Colin S. Campbell C l, Gaylon S. Campb bell, Douglas R. Co obos, and d Lauren L. Bissey y 要旨 ーザーが⼊⼿可 可能でなければ ばならない。本研究の⽬的は 本 は、 ユー 農地及び芝⽣ ⽣の灌漑スケジ ジュールには⼟ ⼟壌⽔分センサ サー 低価 価格 SMS の開発と試験であ あり、また灌漑 漑市場での使⽤ ⽤ (SMS)が必要 要で、そのセン ンサーは精度、信頼性、低コスト 可能 能性を評価する ることである。 が要求される る。市場には多 多数の SMS があるが、これ れら分 野での要求⽔ ⽔準を満たして ていないため、使⽤が限られ れてい 背景 景 る。商業的灌漑 漑事業に提案するにふさわしい⾼品質測定が ⻑年 年にわたり、現場での⼟壌⽔ ⽔分モニターには数多くの⼿ ⼿ でき、且つ安 安価なセンサー ーに対する需要 要が存在する。本研 法が が使⽤されてき きた。初期の⽅ ⽅法としては、⽔分量推定に に 究の⽬的は、新型で低コス ストの SMS が、⽔分量と電 電気伝 は、電気抵抗や低 低周波静電容量 量測定が⽤いら られてきた。こ 異なる様々な⼟ ⼟壌で、如何に に測定されるか かを 導度(EC)の異 ら技術は⽔分量 量と相関がある るが、⼟壌の塩 塩分や構造に影 影 れら 検証する事、また現場での の耐久性を検討 討することにあ ある。 響さ されている。全般的に灌漑市 全 市場で⼟壌⽔分 分センサーが概 概 砂、沈泥質壌⼟ ⼟、粘⼟質⼟壌 壌間、また幅広 広い 試験された砂 して て信⽤されてい いないのは、これらタイプの のセンサーの低 低 EC でも、SMS はキャリブレーションに差は⾒られなかっ 信頼 頼性に原因があ あると思われる る。 た。現場試験 験では、測定期間を問わず良好な信頼性を⽰し た。新型 SMS は、⼟壌⽔分 分測定と灌漑計画に有⽤なツー ルであると⽰ ⽰唆された。 ⼟壌 壌バルクの誘電 電率を測定し、⼟壌の体積含 含⽔率(VWC) を推 推定する為、その測定結果を そ を⽤いるセンサ サーが、⼈気を を 博し しつつある。こ これまで、エレ レクトロニクス ス分野での、作 作 動原 原理の理解・向 向上及び改善、超過作業によ よって、市場向 向 序論 淡⽔は、何代 代にも渡って確 確実に利⽤出来 来るよう、注意深い 管理が要求さ される有限資源 源である。淡⽔を流し込む最⼤の ⽤途の⼀つが が灌漑で、商業 業⽤地、ゴルフ フコース、住宅の芝 ⽣と庭で実施 施されている。⽔資源保護の のカギは、植物⽔の 需要量及び利 利⽤可能な⼟壌 壌⽔量を元にし した意思決定で であ けに に低価格で性能 能の優れた、数 数多くのセンサ サー設計が産み み 出さ された。今⽇、⾼品質で低価 価格のセンサーが利⽤可能に に なっ ったことにより り、センサー⽤ ⽤途が⾮常に拡 拡がり、研究で で の地 地理空間のモニ ニタリングから ら農地、芝⽣で で改善された灌 灌 漑管 管理まで拡がっ っている。 る。植物から ら損失する⽔量 量の推測は⼤き きく進歩したが が、灌 誘電 電率センサーは は、⼀般的には は⼆種類が利⽤ ⽤可能である。 漑ツールとし しての⼟壌⽔分 分測定の実⾏は は遅れている。良好 ⼀⽅ ⽅は電気インパ パルスが⼟壌中 中の⼀定距離の の伝送路を通 な精度及び安 安定性と、必要 個所全てで使⽤できるような、 低価格を併せ せ持つ⼟壌⽔分 分センサー(SM MS)の需要があ ある。 ⻑年の間、⼟壌⽔分の計測 ⼟ 測技術は、灌漑市場で利⽤されて きた。しかしな ながら、通常⽤ ⽤途への適⽤は はなかなか進ま まず、 それはある種 種のセンサーの の場合測定品質 質の悪さが、また他 のセンサーの の場合⾼価であ あることが理由 由であろう。⽣き延 びていくには は、SMS は精度 度良く、信頼性 性があり、エン ンド アイネ ネクス株式会社 社 TEL : 03-5713-0388 0 過す するのに要する る時間を計測し し、もう⼀⽅は は、⼟壌が誘電 電 性で であるキャパシ シターのインピ ピーダンス成分 分を測定する。 最初 初のタイプのセ センサーは、時 時間領域と呼ば ばれている(時 間領 領域反射率計ま または TDR；時 時間領域透過率 率計または TDT T) 。第⼆の区 区分に属するの のは、周波数領 領域センサーと と も呼 呼ばれ、それは は固定周波数で で使⽤されるた ためである。し かし し、頻繁に多く呼ばれるのは「キャパシタン ンスセンサー」 であ ある。 1 〒144-005 54 東京都⼤⽥ ⽥区新蒲⽥２－４ ４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note 時間領域セン ンサーは、本質的に周波数領域センサーよりも この の式は、⽔分量を決定する様 様々なパラメーター中の不確 確 良質あるいは は精度が⾼いと と信じられてい いる場合がある る。こ 定要 要素に対する、予測される⽔ ⽔分量の感度を を決定するため め れには、いく くつかの理由が がある。通常、時間領域センサー に使 使⽤可能である る。計算はいか かなるパラメーターの組み合 合 は、キャパシ シタンスセンサ サーより⾮常に に⾼価であり、価格 わせ せでも可能であ ある。説明⽬的 的の為、表 1 の公称値が選 の を通じて⾼精 精度を⽰す傾向 向にある。また た、キャパシタンス 択さ された。これら らの値を⽤い、表 1 から感度 度が⽰された。 センサーは 1 世紀以上試さ されている⼀⽅ ⽅で、時間領域 域法 量 シンボル ル 公称値 感度 1 バルク誘電率 バ Εb 10 -5 ⽔の誘電率 εw 80 8.5 鉱物の誘電率 鉱 εm 4 16.2 かさ密度 ρb 1.3 16.2 粒⼦密度 ρs 2.65 -16.4 はまだ使⽤さ されるようにな なって 30 年も も経っていない い。初 期のキャパシ シタンスセンサ サーには多くの の限界があった たが、 その限界も現 現代エレクトロ ロニクスの技術 術とより良い理 理論 の理解によっ って本来なら解 解決できたにも もかかわらず、本⼿ 法はその初期 期の経験のせい いで未だに悪い い印象が残って てい るのかもしれ れない。 2 種のセンサ サータイプの性 性能に違いが存 存在するという う認 識の理由がな なんであるにせ せよ、時間領域センサー御⽤達が それら商品を を売り込みたい いが故、その認識は⽀持され れ後押 1 感度は、予測される体積⽔分 分率の１％変化 化で実際に⽰さ さ れる る％変化を指し します。 しされる。そ そして、これら らの主張は、周波数領域と時間領 域センサーの の相対的⻑所に に関する議論の の絶好の論拠を を与 かさ さ密度が精度 度に及ぼす影 影響 える。 ⼟壌 壌のかさ密度は は⼤きく異なる る。農業で⽤い いられる典型的 的 鉱物 物⼟壌では、か かさ密度は 0.8 8 から 1.8 g cm-3 で、80% % 精度 ほど ど異なる。有機⼟壌及び地質 質⼯学的⽤途で での⼟壌の場合 合、 誘電性センサ サーは⽔分量を を検知しないが が、⼟壌のバル ルク絶 その の幅はさらに広 広くなる。鉱物農業⼟壌の範 範囲を考えると と、 縁誘電率を検 検知する。それ れ故、2 つの要素が精度の決定に 式 2 では 0.8 から ら 1.8 g cm-3 において 0.05 m3m-3 の⽔ ⽔ 関連している る。それらは、センサーがバルク誘電率を決定 分量 量の変化が予測 測できる。独⽴ ⽴の密度測定が がなく(誘電性 する精度、及び びバルク誘電率と⼟壌⽔分率の関係の精度で ⽔分 分センサーの場 場合も同様)、密 密度のみ不確定 定であると考 ある。後者を を初めに考慮す すると、典型的な誘電混合モデル える るならば、鉱物 物や農業⽤⼟壌 壌での⽔分率の の精度は を⽤いて精度 度を分析できる る。 ±2..5%である。有 有機及び圧密⼟ ⼟壌の場合、誤 誤差はさらに ⼤き きくなる。如何 何なる誘電性セ センサーも、⼟壌タイプに関 ⼟ 関 わら らず絶対精度が が 1%である、という主張は は明らかに誇張 張 (1) 表現 現である。鉱物誘電率及び粒 粒⼦密度の不確 確実性に対する る 誘電率、x は体積 積分率、及び下付きの b, a, a m ε は⽐絶縁誘 感度 度は、かさ密度に⼟壌固相特 特性の変化に起 起因する総合的 的 及び w はバル ルク、空気、鉱 鉱物及び⽔を⽰ ⽰す。空気の誘 誘電 不確 確実性が加わっ った場合と同様 様であると表 1 で⽰される。 率は 1 で、⼟ ⼟壌鉱物の誘電 電率は 3 から 16 1 であるが、4 と いう値が通常 常⽤いられる。1 - xw - xm を xa で置き換え ⽔の の絶縁誘電率 率が精度に及 及ぼす影響 られる。また、 、⼟壌中のバル ルクと粒⼦の⽐ ⽐率を xm で表 表す。 ⾃由 由⽔の絶縁誘電 電率は、室温で で約 80 である る。この誘電率 率 ρb/ρs は測定 定誘電率から⽔ ⽔分量を求める る式である。 は、温度上昇に伴 伴い 0.5%/C の の割合で減少す する。⽔誘電 の 8.5% の誤差 差によって、体 体積⽔分率 20%の予想⽔分 分 率の ( (2) アイネ ネクス株式会社 社 TEL : 03-5713-0388 0 率で で 1%の誤差を をもたらす。この の程度の⽔分率 率では、±20C C 2 〒144-005 54 東京都⼤⽥ ⽥区新蒲⽥２－４ ４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note の温度変化に によって予想⽔ ⽔分率は±1.2% %のみ変化し、 、ほ され れたモデルとし して考えること とで、理解可能 能である。抵抗 抗 とんどの⽬的 的の場合無視で できる程度であ ある。この誤差は⽔ の電 電気抵抗は、⼟ ⼟壌のバルク導 導電性に⽐例す する。そして、 分率が⾼くな なると⼤きくな なるが、温度測定するセンサ サーは キャ ャパシターの静 静電容量は、⼟ ⼟壌のバルク誘 誘電率に⽐例す す 多く、適正にキ キャリブレーションされるのでこの影響はた る。⼟壌の導電性 性が無視できる るほど⼩さけれ れば、誘電率測 測 いてい無視で できる。 定は は時間領域、周 周波数領域どち ちらも容易で⾼ ⾼精度である。 導電 電性増加につれ れ、移動時間測 測定の為に分析 析する、減衰す す 「結合⽔」が⽔誘電率 率に及ぼす影響 響 る TDT T 及び TDR R 波形は、特に⾼周波で顕著 著に減衰する。 「結合⽔」が が TDR 及び TDT T センサーに に影響を及ぼす すこ とがある。結 結合⽔の絶縁誘 誘電率は、緩和 和周波数 15GH Hz 以 下では⽐較的 的⼀定である。但し、結晶⽔ ⽔は（例えば氷 氷）、 数 kHz 下がる るだけで誘電率 率が⾼くなる。 。⽔の結合⼜は は構 造は、特定の の周波数で誘電 電率に⼤きく影 影響する。⼟壌鉱物 及び有機物に に吸収された⽔ ⽔は⾃由ではな ない。それは様 様々な 範囲の結合エ エネルギーを有 有し、多くの TDR T 及び TD DT セ ンサーが作動 動する周波数(⾼ ⾼ MHz から低 低 GHz 領域)以下に ⽔の緩和周波 波数を下げるの のに⼗分な場合 合もある。 アル ルゴリズムによ よってある程度 度まで、波の開 開始・終了点を を より り分け可能であ あるが、最終的には信号の識 識別が不可能と と なる る。導波管を短 短くし、ある程 程度の信号を得 得るものもある る が、⾼周波数の減 減衰は推定バル ルク誘電率を⾮ ⾮常に⼤きくす す るた ため、この影響 響は正しい⽔分 分率測定を⽬的 的として、補償 償 され れなければなら らない。これら らの問題は、E EC が 2 dS/m 以上 上の孔隙⽔で典 典型的に発⽣す する。農業⽣産 産は、この 10 倍以 以上の EC を持 持つ⼟壌で⾏わ われることもあ あるため、この の 限界 界は深刻である る。 結合⽔の精度 度に及ぼす影響 響は、有機物の少ない地の荒い⼟ 壌では無視で できるが、⾼粘⼟質⼟壌では実質的過⼩評価に つながる。何故ならキャパ 何 パシタンスセン ンサーは、⼟壌⽔が 凍結しない限 限り、誤差が問題 題とならない低周波数で作動す るためである る。凍結した⼟ ⼟壌では、両タイプのセンサ サーは 凍結⽔のみを を「⾒る」。 周波 波数領域法でも も、⼟壌 EC に悪 悪影響を及ぼす す恐れがある。 また た、信号を実数 数と虚数に分け けるサンサーも もある。実数部 部 分は は、キャパシタンスと抵抗に対する虚数部 部分に帰因して て いる る。⼟壌の EC 増加は、これ れらセンサーにとって問題で で はな ない。何故なら ら、前述の⼆種 種成分を別々に測定するから ら であ ある。しかし、ほとんどのキ キャパシタンス スセンサーはこ こ 他の影響は、結合⽔の緩和 和周波数が温度 度依存性で、⾼周波 れら ら⼆種成分を分 分離出来ず、抵 抵抗成分がキャパシタンスと と TDR 及び TD DT センサーで で測定された場 場合、バルク誘 誘電率 して て加えられ、相当の誤差をも 相 もたらす。キャパシターのイ イ の温度依存性 性が通常より⾼ ⾼くなることで である。また、低周 ンピ ピーダンスは周 周波数と共に減 減少し、⼀⽅、 抵抗(虚数 波センサーは はこの影響を受 受けない。 い。周波数増加 成分 分)は周波数の影 影響を受けない 加は、それ故、 誘電 電率に⽐べ⼟壌 壌導電性の⽐較 較影響を減少さ させる。誘電性 性 セン ンサーの周波数 数が⾼くなるほ ほど、⼟壌塩分 分が測定値に影 影 バルク絶縁 縁誘電率が精 精度に及ぼす影 影響 表 1 より、1% %の⽔分率精度 度が要求されるバルク誘電 電率の 精度は 5%で である。これは は⽔分率によって異なり、飽和⼟ 壌では約 3% %、乾燥⼟壌で では約 10%とな なる。時間領域 域及 びキャパシタ タンスセンサー ーは、この要求を満たすのに何ら 問題はないが が、そこには落 落とし⽳が存在 在する。最も深 深刻な のは、周辺の誘 誘電率を正確にサンプリングするセンサ サー能 ⼒及び、塩を含 含有する⼟壌の導電効果からキャパシタンス を離すセンサ サー能⼒である る。サンプリングの問題は後 後述す るが、塩の問 問題は、⼟壌が抵 抵抗とキャパシターが直列接続 アイネ ネクス株式会社 社 TEL : 03-5713-0388 0 響を を与えなくなる る。無塩⼟壌で では、1-10 MH Hz の範囲の周 周 波数 数で、⼗分に良 良好な誘電率測 測定ができるが が、⾼塩分では は ⾼周 周波数が必要で である。6 MHz EC で作動す する Decagon EC--10 及び EC-2 20 センサーは は、約 1 dS/m m まで影響を を 無視 視できる。70 MHz M で作動す する⾼周波セン ンサーでは、約 約 10 dS/m まで塩の の影響を無視できる。孔隙⽔ ⽔の EC がそ の閾 閾値を超えても も、⽔分率と共 共に出⼒変化す するが、出⼒か か ら計 計算される誘電 電率は真の⼟壌 壌誘電率ではな ない。この⾒か か け誘 誘電率は、問題 題とする特定⼟ ⼟壌ではキャリブレーション ン 3 〒144-005 54 東京都⼤⽥ ⽥区新蒲⽥２－４ ４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note 可能だが、EC C が 2%/C に及ぶ温度影響 響では、強い正の温 際、どちらのセンサーであっても全く同じシ シミュレーショ 度応答を⽰す す。 ソフトを使⽤す する。 ンソ 時間領域及 及び周波数領 領域センサーの のサンプリン ン セン ンサーの研究 究及び現場評 評価 グ体積 ラン ンダムに選定さ された 5 台の商 商業⼟壌⽔分セ センサー 誘電性⼟壌⽔ ⽔分センサーの の⼤きな弱点は は、サンプリング体 (EC C-5, Decagon n Devices, Incc., Pullman, WA)が、キャ 積に起因する る。時間領域及 及び周波数領域 域センサーは、セン リブ ブレーションと と評価に選定さ された。4 種の の鉱物⼟壌(砂 サー表⾯に最 最⼤の電界を有 有するセンサー ー周囲の電界を を形 丘砂 砂、パターソン ン砂壌⼟、パロ ロース沈泥質壌 壌⼟、ヒュース ス 成する。そし して、センサーから距離が離れると共にその強 トン ン⿊⾊粘⼟) を広範囲に渡る を る⼟壌タイプの の代表として 度が減少する る。周辺物体の の誘電率増加は は、センサー表 表⾯周 選定 定した。(表 2))⼟壌を⼟壌粉 粉砕機で粉砕し し、⼤きな塊を を 囲の電界を激 激しく破壊する る。影響する電界中の⾼誘電 電率ま ほぐ ぐし均⼀に詰め めた。広範囲の の⼟壌塩分を得 得られる様、追 た低誘電率領 領域は、電界形 形状を⾮線形状 状に歪め、測定され 加⼯ ⼯程を実施した た。始めに、~ ~1 to >15 dS S/m の EC 値 た誘電率を電 電界中の材料の の平均誘電率と と異なる値にす する。 を有 有する数種の溶 溶液を調整した た。⼟壌は⼩分 分けされ、その の センサーと感 感知される物体 体間の空隙は、測定される誘 誘電率 後溶 溶液が選択され れた⼟壌に加え えられ、⼟壌導 導電性が異なる る に⼤きな誤差 差をもたらす。液体中の測定 液 は困難ではないが、 試料 料を作成した。溶液が加えら られた⼟壌は、 加熱炉で乾 乾 ⼟壌は⾮常に に困難である。時間領域型装置では導波管の形 燥さ され、また粉砕 砕し、飽和抽出 出物を実際の⼟ ⼟壌 EC 測定に に 状とサイズに によって、またキャパシタンスセンサーではキ 使⽤ ⽤した。(U.S.S Salinity Labo oratory Staff, 1954) 試験、 ャパシタープ プレートの形状 状とサイズによ よって、それぞ ぞれの キャ ャリブレーショ ョン及び評価プ プロセス中(下記参照)、⼟壌 壌 センサータイ イプで影響する る体積が決定さ される。これらは⼀ サン ンプルは蒸留⽔ ⽔で濡らして加 加熱炉で乾燥し し、塩度が⽐較 較 ⽅のセンサー ー設計を他⽅と と異なるように にさせるが、影響す 影 的⼀ ⼀定となるよう うに調製した。 る体積は時間 間領域かまたは は周波数領域に に依存しない。⼟壌 中での何れか かのセンサーの の性能をモデル ル化しようとす する 表 2. 分取及 及び試験に⽤い いられた⼟壌の の分取分及び分 分取前の導電性 性 ⼟ ⼟壌 砂 沈泥 粘⼟ ---------------kg kg-1---------------- の導電率 元の dS S m-1 砂丘砂 0.8 87 0.03 0.03 0.04 0 砂壌⼟ パターソン砂 0.7 79 0.09 0.12 0.34 0 パロース沈泥 泥質壌⼟ 0.0 03 0.71 0.26 0.12 0 ヒューストン ン⿊⾊粘⼟ 0.13 0.34 0.53 0.53 0 ⼟壌中での のセンサーキ キャリブレーシ ション センサーは、Starr 及び Paltineanu P によって推奨され れた 器に に詰める。⼟壌 壌を均⼀に詰め めるよう注意し し、測定の偏り 技術を採⽤し しキャリブレー ーションした( 2002)。本⼿法の を防 防⽌した。セン ンサーから値が が読み取られた た後、⼩円柱を を 詳細な記載は は、Cobos によ よって与えられ れている( 200 06)。 ⽤い い体積⽔分率(V VWC) が得ら られ、また乾燥 燥加熱炉と秤量 量 これを簡潔に に述べると、まず⾵乾⼟壌をセンサー周囲の容 計を を⽤い質量⽔分 分率が得られた た(Topp 及び Ferre, F アイネ ネクス株式会社 社 TEL : 03-5713-0388 0 4 〒144-005 54 東京都⼤⽥ ⽥区新蒲⽥２－４ ４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note 2002) 。次に に、⼤きい容器 器に⼟壌を投⼊ ⼊し、既知体積 積の 穀物 物の必要性によ よって異なる。転倒ます形⾬ ⾬量計(解像度 ⽔とよく混ぜ ぜ、元の容器のセンサー周囲にこの⼟壌を詰め、 1 mm)が埋設され m れたセンサー上 上に設置され、 、灌漑の時期 ⽔分率を測定 定した。これは は⼟壌タイプ及 及び導電性別に に 4、 と量 量が記録された た。センサーは は全育成期を通 通じてモニター ー 5 回繰り返さ され、センサー出 出⼒と VWC の相関が得られた。 され れ、灌漑に対す する信頼性、感 感度及び⻑期安 安定性が調査さ さ ⼟壌のタイプ プと導電性がセ センサー出⼒に に及ぼす影響を を特 れた た。 定するために にデータがプロ ロットされた。 結果 果と考察 統計分析 数種 種の導電性レベ ベルにおける 4 種の⼟壌(表 表 2)での標準 統計的優位性 性を特定するた ため、各キャリブレーションから EC--5 センサー5 台のキャリブ 台 レーションを図 1 に⽰した た。 のデータはそ それぞれ特有な なものと考えら らる。即ち、それぞ 試験 験された全ての のセンサー間で では、センサー間の⼤きなば ば れの測定され れた導電性と⼟ ⼟壌⽔分率は、特定タイプの⼟壌 らつ つきは⾒られな なかった(データ タなし)。各⼟ ⼟壌タイプ／導 導 での組み合わ わせである。⼟壌 壌タイプ／EC C の組み合わせ せは、 電率 率の組み合わせ せ間のキャリブ ブレーションの の傾きを統計 従属変数とし しての⽔分率と と独⽴変数とし しての導電性、また 的⽐ ⽐較すると、12 のキャリブレーションカーブの内 11 共分散分析で で⽐較した。共分散分析は 共 PROC GLM を⽤い には は⼤きな違いは はなかった(表 3)。 興味深い いことに、⼤ 実施した (SA AS Institute, 2006)。それぞれのセンサ サーは きく く異なる傾きは は 0.7 dS/m の の飽和抽出 EC のパロース⼟ ⼟ 観察の複製を を表し、取扱いの影響を表すものではないと考 壌で で、試験された た 3 種のパロー ース⼟壌中、中 中間の導電率 えられる。何 何故なら、同⼀ ⼀タイプの⼟壌 壌でのセンサー ーは、 を持 持つサンプルで であった。⼟壌 壌タイプや導電 電率が、これら ら 主要なばらつ つき源ではない いからである(デ データは⽰され れて の違 違いに影響して ているとは思わ われない。 いない)。 の 、それぞれの⼟ ⼟壌タイプ／E EC の PROC GLM の推定機能は、 組み合わせで でのキャリブレ レーションカー ーブの傾きを⽐ ⽐較 するために⽤ ⽤いられる。 センサーの の特性表⽰ 精度に関して て、混同される⼟壌因⼦を推定する感度は は既に 討論されてい いる。しかしな ながら、メーカー提出のキャリブ レーション式 式が、典型的な⼟壌条件での実際の体積⽔ ⽔分率 と、いかに⽐較 較されるかを特 特定する必要が依然としてある。 これを試験す するため、EC--5 及び Theta aProbe (Mode el ML2, Delta-T Devices, Cambridge, C U UK) が製造ロッ ット からランダム ムに選択され、砂、沈泥質壌 壌⼟、粘⼟、培 培養⼟ で試験された た。その結果、直接、測定された体積⽔分率と ⽐較した。 現場評価 3 台の EC-5 センサーが微細 セ 細な砂壌⼟中の商業ジャガイモ 畑で、それぞれ れ 15, 30 及び び 60 cm の深さに設置され れた。 この畑はセン ンターピボット ト灌漑を⾏って ており、その頻 頻度は アイネ ネクス株式会社 社 TEL : 03-5713-0388 0 5 〒144-005 54 東京都⼤⽥ ⽥区新蒲⽥２－４ ４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note 図 1. 導電率 率別(カッコ内に に表⽰)に 4 種の鉱物⼟壌中 種 中で、70MHz で使⽤した で 5 台の⽔分率セ 台 ンサーのキャリブレーショ ンデータ 表 3．それぞれの 3 の⼟壌タイプ／ ／導電率(EC)の の組合せでの傾 傾きと統計的⽐ ⽐較 ⼟壌タイプ 溶液 液 EC (dS m-1) キャリブ ブレーションカ カー ブの の傾き(x 10-4)* * 砂 0.65 9.8a 砂 7.6 9.9a パタ ターソン 5.3 10.3a パロ ロース 1.5 10.3a 砂 2.2 10.5ab パタ ターソン 0.52 11.9ab パタ ターソン 0.83 12.1ab パロ ロース 0.2 12.5ab パタ ターソン 1.7 12.7ab 0.53 12.8ab 0.7 13.4b ヒュ ューストン⿊⾊ ⾊ パロ ロース * 同じ⽂字 字が記された傾 傾きは⼤きくは は異ならない (p < 0.01) アイネ ネクス株式会社 社 TEL : 03-5713-0388 0 6 〒144-005 54 東京都⼤⽥ ⽥区新蒲⽥２－４ ４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note 異なる塩度で でのキャリブレ レーションカー ーブ間で⼤きな な違 を⽰ ⽰唆している。図 2 は 3 種の の培養⼟でキャ ャリブレーシ いがみられな ないことは、類似 似周波数で使⽤したセンサ サーで ョン ンされた同じ 5 台の EC-5 セ センサーを⽰し している。セン ン の知⾒を考慮 慮すると、驚くべきことでは はない。(Campbell, サー ー出⼒は、R2 が 0.977 の際 際に、重量測定 定で得られた 1991) 初期タ タイプの セン ンサー(EC-20 0, Decagon 体積 積⽔分率で直線 線的に相関され れる。培養⼟の の混合や導電率 率 Devices, Inc c.)での類似試 試験では、⼟壌タイプによってキ に関 関わらず、試験 験された何れの の培養⼟にも、同じキャリブ ブ ャリブレーシ ションに⼤きな なばらつきが観 観察され レー ーション式が使 使⽤可能とデー ータは⽰してい いる。培養⼟の の (Campbell, 2001)。図 2 1 のデータは、センサーが鉱物⼟ キャ ャリブレーショ ョンは 壌で使⽤され れる場合はキャ ャリブレーショ ョンが必要ない い事 違い いにより、鉱物 物⼟壌とは異な なる。 図 2. 各種混合培養 養⼟での 5 台の の EC-5 センサ サーのキャリブ ブレーション 上記 記の通り、かさ さ密度の⼤きな な 飽和抽出 EC 値はカッコ内に表⽰ t EC-5 及び び ML2 の試験は は、実際の VW WC Testing on the は現 現場の何れかの のセンサーで取 取得可能という う事が、これら ら とメーカーの のキャリブレー ーションによっ って得られた値 値と デー ータから⽰唆さ される。しかし しながら、1% VWC という ⼀致した(図 3)。両センサーの全⼟壌に対する標準偏差は、 精度 度の規格は、現場はもちろん ん研究室の条件 件でも困難とい い であった(EC-5 5 及び ML2 につきそれぞれ、 ⾮常に良好で う事 事は明らかであ ある。 0.0089 及び び 0.013 m3 m-3)。 m 精度の良い⽔分率デ データ アイネ ネクス株式会社 社 TEL : 03-5713-0388 0 7 〒144-005 54 東京都⼤⽥ ⽥区新蒲⽥２－４ ４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note 図 3. 実際の の VWC とメーカーキャリブ ブレーションを⽤い計算され れた VWC(a) 砂 (b) 粘⼟ ((c) 沈泥質壌⼟ ⼟ (d) 培養⼟ ⼟ 商業ジャガイ イモ畑に設置さ されたセンサー ーは、育成期全 全体で が、穀物が成熟す するに従い、根 根が地中深くに に伸び、灌漑が が 信頼性ある安 安定な結果を⽰ ⽰した(図 4)。図 4 は、ある部分 多く くなり、両深さ さでの⽔分率は は同様になる。深さ 60 cm の季節でセン ンサーが多量の の灌漑及び穀物 物成熟サイクル ルの での の⽔分率はシー ーズンを通じて て⾮常に⼀定な なので、根はこ こ 重要段階での の乾燥期に、如 如何に反応した たかを⽰してい いる。 の深 深さからさほど ど⽔を吸収せず ず、⽔もこの深 深さまで移動し し 深度別の⽔使 使⽤量変化によ よると、穀物が⽐較的若い場合に ない いことを⽰唆し している。 は、深さ 15c cm での⽔分率 率は深さ 30cm m のそれより低 低い アイネ ネクス株式会社 社 TEL : 03-5713-0388 0 8 〒144-005 54 東京都⼤⽥ ⽥区新蒲⽥２－４ ４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note 図 4. セン ンターピボット ト灌漑のジャガ ガイモ畑の育成 成期を通じた⼟ ⼟壌⽔分及び灌 灌漑データ 燥及び湿潤期の の⽔分率と灌漑 漑データの部分 分集 図 5 は、乾燥 度が が深いほど悪化 化した。60 cm m 深さのセンサ サーでは、灌 合を⽰してい いる。これらの のデータは、⽔分率センサーの各 漑⽔ ⽔はセンサー応 応答にあまり問 問題なかったが が、全体の変化 化 灌漑操作に対 対する相対感度 度を⽰す。灌漑によって各深 深さで は⽔ ⽔分率の増加で であり、深度の の浅いセンサー ーで⾒られる、 ⽔量増加して ているのは明ら らかである。但し、 但 相対感度は深 急激 激な⽔分率上昇 昇とその後の減 減少とは異なっ っている。 図 5. 各灌漑操作に対 各 対する SMS 反応を⽰す、灌 反 灌漑ジャガイモ モ畑の部分集合 合データ アイネ ネクス株式会社 社 TEL : 03-5713-0388 0 9 〒144-005 54 東京都⼤⽥ ⽥区新蒲⽥２－４ ４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note 結論 Methods. M SoilScience Society of America, Inc., SMS キャリブ ブレーションは は、試験された た数種の鉱物⼟ ⼟壌 Madison, M WI. 及び培養⼟に には⼤きく影響 響を受けなかっ った。この知⾒では、 ⽐較的経験の の浅いユーザー ーでも、無処置の⼟壌にセンサー pp, G.C., and T.P.A. Ferre e. 2002. The Soil Solution n Top を設置し正確 確な⼟壌 VWC 測定が可能で であることを⽰ ⽰唆 Phase. p. 417 7-1074. In J.H. Dane, and d G.C. Topp している。こ これは特に重要 要な知⾒であり り、なぜなら、こも ed.) Methodss of Soil Anallysis: Part 4 Physical (e ことがほとん んどのモニター ー、制御⽤途で では、未知の⼟壌組 Methods. M Soil ScienceSociety of America, Inc., 織へのセンサ サー設置を物語 語っているから らだ。さらに、⼟壌 Madison, M WI. または灌漑⽔ ⽔による塩度条 条件の変更はセ センサー測定に にほ S. Salinity Lab boratory Stafff. 1954. Dia agnosis and U.S とんど影響を を与えない。 im mprovement of saline and d alkali soils.. USDA この分野での の過去のセンサ サーの失敗を考 考慮すると、これは Handbook H 60 ed. U.S. Gov vernment Priinting Office,, ⾮常に重要な な品質である。さらに、メーカーキャリブ ブレー Washington, W D D.C ションは、研究 究レベルで試験 験された全ての⼟壌で精度良い 測定を成し遂 遂げた。ジャガイモ畑での全期間に及ぶ灌漑及 び VWC 測定 定は、SMS が頑 頑健であり、灌 灌漑操作から予 予測 されるように に応答すること とを⽰している る。 参照⽂献 Campbell, C.S. C 2001. Re esponse of th he ECH2O So oil Moisture Probe P to Varriation in Watter Content, Soil Type, and d Solution Ele ectrical Cond ductivity [Available e at http://ww ww.decagon.com/appnote es/echo_ana alysi s.pdf. electric-Properties and Campbell, J.E. 1990. Die Influence of Conductiv vity in Soils at a One to 50 z. Soil Sci So oc Am J. 54(2 2):332-341. Megahertz brating ECH2O O Soil Moistu ure Cobos, D.R.. 2006. Calib Sensors [A Available at http://ww ww.decagon.com/appnote es/echocal.p pdf. a I.C. Paltineanu. 2002 2. Methods fo or Starr, J.L., and Measurem ment of Soil Water W Conten nt: Capacitan nce Devices. p. p 463-474. In I J.H. Dane e, and G.C. Topp T 492-01 ©20 009 Decagon n Devices, Inc. I All 134 (ed.) Meth hods of Soil Analysis: A Parrt 4 Physical righ hts reserved d アイネ ネクス株式会社 社 TEL : 03-5713-0388 0 10 0 〒144-005 54 東京都⼤⽥ ⽥区新蒲⽥２－４ ４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note アイネ ネクス株式会社 社 TEL : 03-5713-0388 0 11 〒144-005 54 東京都⼤⽥ ⽥区新蒲⽥２－４ ４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp